南亚某城市轨道交通工程高架桥梁体选型及结构分析

2018-08-22商耀兆

现代城市轨道交通 2018年8期

商耀兆

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

1 常用梁型的特点分析

1.1 T 型梁

T 型梁曾是中国最广泛采用的梁式，在中国的铁路建设中发挥着举足轻重的作用。梁体结构可以由几片 T 梁相互联结而成，施工方便，且构件容易修复或更换，如图 1 所示。T 型梁施工一般采用梁场预制，架桥机或汽车吊架设。T 型梁的受力结构合理，工程造价非常经济。

图1 T 型梁

T 型梁的缺点是横向刚度和抗扭刚度比较差，梁底有明显的纵横肋，景观效果较差。这些缺点使得 T 型梁在中国城市轨道桥梁中很少被采用。

1.2 箱型梁

箱梁是目前中国轨道交通高架桥采用最多的梁式之一，它的特点是建筑高度适中，力学性能好，竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度都好，整体性好。它既可用于标准区段，又可用于变宽、道岔区段，既适宜作简支梁，也可作连续梁，如图 2 所示。简支箱梁一般采用整孔预制架设或支架现浇法施工。

图2 箱型梁

1.3 U 型梁

U 型梁又称槽型梁，早在 20 世纪 70 年代中国已开始研究。U 型梁是下承式结构，与箱型梁、T 型梁等上承式梁相比，最大优点是建筑高度可以做到很低，两侧腹板可作声屏障，上部翼缘板可做疏散平台，如图 3 所示。但其结构受力较复杂，抗扭刚度小。U 型梁一般分为并置型单线梁和整体型双线梁。

图3 U 型梁

双线 U 型梁的圬工量比较大，一般需布置横向预应力钢束，造价高于箱梁（约为 1.5～2 倍）。双线 U 型梁的工程应用具有明显的局限性，一般仅在线路高程和桥下净空受到限制的特定工点中使用。因此，中国铁路使用这种 U 型梁的桥梁数量很有限。

单线 U 型梁的结构板厚小，截面外形尺寸小，30 m跨简支单线 U 型梁的平均截面面积一般为 2.2～2.4 m2，底板厚度 24～26 cm，截面高度约 1.7～1.9 m，结构重量165～200 t，工程量比箱梁小。这种U型梁一般采用整孔预制，架桥机或汽车吊架设。

1.4 山型梁

山型梁有较多优点，如圬工量小、底板不需要预应力钢束、较为经济、建筑高度小、可以压低线路标高、两侧腹板可作声屏障、上部翼缘板可做疏散平台等，如图 4 所示。

图4 山型梁

但山型梁的底板薄而宽，比较脆弱，对施工工艺的要求很高。山型梁有6 个支座，对施工时安装支座的精度要求很高，后期养护维修的频次较高。

1.5 连续刚构

连续刚构的经济跨度比常规简支梁的大，一般为 35～40 m，梁高一般在 2 m 左右，如图 5 所示。这种结构的优点是整体性好，列车活载下的竖向变形小；连续刚构的跨度较大，能增加市区的通透性，降低对环境的影响；它不用设置支座，抗震性能好，地震落梁风险低。但基础不均匀沉降会使此超静定结构产生较大的内力。

图5 连续刚构

1.6 小跨刚架

小跨刚架结构的跨度一般在 10～20 m。这种结构最大的优点是抗震性能好，整体性强，具有一定的延性。若桥址处于高烈度地震区，或处于地震带断层附近，采用小跨刚架是可选择的方案之一。

1.7 其他结构

除了以上介绍的几种结构，还有空心板梁、工字型组合梁、脊骨梁等。

2 梁体选型

项目所在的城市是该国最大省的省会，人口数量约 1 000 万。为缓解日益增长的城市交通压力，启动了该国第一个城市轨道交通的建设项目，对当地工程建设具有重要意义。线路长度 27.28 km，桥梁长度为22.84 km，约占线路总长度的 84%。

线路大致为南北走向，穿越市区，并且位于城市主干道的道路中央，是当地城市的标志性工程，景观要求高。根据业主的要求，本工程需严格控制土建工程投资，采用经济性较好的结构。当地拥有汽车吊等工程机械，具有吊装的施工能力。梁场设在靠近工程线位的郊区，梁体可通过市政道路运输。

综合以上因素及表 1 常见梁型的技术经济指标，该城市轨道交通项目的通用梁型采用了单线简支 U 型梁方案。

表1 常见梁型的技术经济指标对比

3 单线 U 型梁结构计算分析

单线简支 U 型梁的标准跨度为 30 m，梁体总高1.8 m，梁体总宽 5.06 m，跨中处底板厚度 0.25 m，两端支点处底板厚度 0.35 m。轨顶面至腹板上缘距离约 1 m。U 型梁采用 2 个单线梁并置，标准区段线间距 4.9 m。

3.1 梁体变形计算分析

图6 为梁体变形有限元计算模型，图 7～图 9 为有限元计算模型计算给出的不同荷载情况下的梁体变形云图，由图 7～图 9 可见：

（1）在列车静载作用下，跨中最大竖向变形为7.4 mm，小于 30 000/2 000 = 15 mm，满足规范要求；

（2）在列车静载作用下，两侧腹板向中心靠拢，两侧腹板向内侧变形分别为 1 mm、0.8 mm，相对位移为 1 mm + 0.8 mm = 1.8 mm，其变形和相对位移均很小；

（3）在列车荷载、恒载、附加荷载作用下，两侧腹板向 U 型梁中心偏移，两侧腹板向内侧变形分别为3.5 mm、2.0 mm，相对位移为 3.5 mm + 2.0 mm = 5.5 mm，其变形和相对位移亦均较小。

图6 U 型梁空间实体有限元模型图

图7 列车荷载下梁体整体竖向变形云图（单位：m）

图8 列车荷载下两腹板横向变形云图（单位：m）

图9 列车荷载、恒载、附加荷载下梁体横向变形云图（单位：m）

3.2 梁体模态计算分析

图10～图 12 给出了梁体结构的前 3 阶模态。由图10～图 12 可知，一阶模态为结构整体扭转，稳定系数K= 78.2，结构二阶和三阶模态均是两侧腹板的局部扭转，稳定系数K分别为 84.14 和 87.36，均满足稳定系数K≥4.0 的要求，可见梁体结构稳定。

图10 一阶屈曲模态，稳定系数K= 78.2

4 典型工点的其他梁型

4.1 双线 U 型梁

由于道岔梁上有两线间的渡线，需做成整体式的双线U型梁结构（图 13）。为方便施工、节省投资，道岔梁采用简支梁。根据道岔布置要求，双线道岔梁分为22 m、28 m、30 m 等跨度，梁缝需避开道岔敏感区。道岔 U 型梁采用每端 4 个支座，以改善梁端的横向受力。道岔 U 型梁与区间单线 U 型梁由于其外轮廓尺寸不一致，在衔接处需设置结构过渡措施。

图11 二阶屈曲模态，稳定系数 K = 84.14

图12 三阶屈曲模态，稳定系数 K = 87.36

图13 双线 U 型梁

4.2 组合 U 型梁

本工程跨越该市最大的火车站，站内股道众多，但车站的列车通行频次不高，且某些股道可以临时中断。考虑经济性因素，在股道中间设置桥墩，采用简支箱体组合成 U 型梁。以 52 m 简支组合 U 型梁为例，7 个箱体并置，箱体宽 1.0 m，高 2.5 m（图 14）。箱体在梁场预制，箱体就位后在上面现浇 U 型桥面系，与两侧桥面系顺接。