高架桥梁设计中的相关问题研究

肖杰

（中国中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都 610031）

引言

对于城市轨道高架桥梁开展设计的过程当中，应当对其景观效果所产生的影响进行考虑，尽可能地使高架桥梁与附近的环境相得益彰，从而形成一种相对较好的视觉冲击。例如著名的米约大桥（Millaubridge），该桥既是连通法国南北两面的重要枢纽，同时还是一个相对闻名的旅游胜地。此桥不仅使交通的压力得到了缓解，同时还让“米约”这个斜拉索式长桥世界闻名。在对高架桥梁进行设计的过程当中，设计人员应当对美观设计给以高度的重视，使实用和美观相互结合，使高架桥梁摆脱冷冰冰的钢筋水泥形象，使其成为极富美感的一道风景线。同时，桥梁附近的绿化也是十分重要的。历经长时间的行驶，司机极易产生困乏的现象，进而酿成交通悲剧，如果以在桥梁附近种植绿化植物的方式，既能够美化环境，还可以缓解司机的视觉疲劳，进而确保行驶的安全性。在绿化上，应当高度遵循地域的气候条件，尽可能地挑选抗力性好、耐干耐旱及生命力相对顽强的植物，例如八角金盘等。不同于公路和市政高架桥梁，城市轨道高架桥梁的设计，体现了它与众不同的特点。城市轨道交通高架桥梁是一种采用轨道结构进行承重，依据总体城市交通规划要求，设置专用轨道线路，以列车或单车形式，运送相当规模客流量的公共交通结构形式。

1 城市轨道交通高架桥梁设计荷载的特点

1.1 轨道对桥梁的荷载作用

由于轨道发生变形，导致桥梁产生了断轨力、挠曲力及伸缩力等荷载。其中，断轨力是由于长钢轨发生折断，导致钢轨和桥梁发生相对位移而生成的纵向力；挠曲力指的是在竖向荷载的作用之下，桥梁和钢轨发生挠曲的时候，二者间存在错动趋势，进而生成的纵向力；伸缩力则是因为受到温度变化的影响而致使钢轨产生了相对位移，进而受到桥梁的束缚而产生的纵向力。由于钢轨对高架桥梁产生的作用力均为通过桥梁的轴向力施加于桥墩之上的，因此在对桥梁墩台进行设计的过程中，应当对该种纵向力所产生的作用加以计算分析。轨道对于桥梁的产生作用力主要是因为钢轨的结构而导致的，以往运用多接头短轨轨道这一结构时，该种力的作用便相对较小。对于轨道纵向力，在《地铁设计规范》（GB50157-2013）、《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）等规范中有相应的计算方法。

1.2 列车荷载

对于城市轨道交通的列车荷载而言，其主要特点为：对荷载进行设计的过程中，应当按照具体使用的车辆及有可能形成的最大轴重来进行严格的检算，即使用不同的轴数、轴距和车型，其设计的荷载通常是不一样的。相较于轨道交通高架桥梁的设计荷载，铁路桥梁的荷载更大。就干线铁路来说，主要考虑的是客货的混跑，运用的主要为ZKH荷载形式（中一活载），这属于一个相对简化的荷载。对这种荷载形式来说，不仅需要对已经消逝的某种系列荷载进行相应的模拟，同时还需要对设计荷载的未来发展趋势给以分析，因此相较于当前实际的运营荷载而言，活载要大得多。而对于公路荷载而言，因为车辆本省具备多样性，车辆行驶过程中的车距、及其轴距与轴重都是随机的。就中小跨度的桥梁而言，轴距、轴重以及排列相对较为规律的荷载也是致使桥梁发生竖向振动的主要因素。

2 城市轨道高架桥梁上部结构比选与设计

2.1 结构设计原则

在对高架桥梁的上部结构进行设计的过程当中，应当同时对多个因素产生的作用影响进行考虑。如：

（1）结构自重、二期恒载、设备自重、预加应力、上部建筑的重力、基础沉降变位、混凝土收缩徐变等作用影响；

（2）制动力、横向摇摆力、牵引力、风力、附加力等作用影响；

（3）温度效应的作用影响；

（4）若高架桥梁采用的是无缝线路轨道，还应当对线路桥墩水平方向的附加力所造成影响加以考虑；

（5）站台车站、楼板以及楼梯的人群均匀分布的作用影响；

（6）在线路的平曲线上，还应着重考虑有关离心力的作用影响，其主要的作用点为列车的重心部位，距离轨顶1.8m。

2.2 箱梁

对于箱梁而言，目前成熟运用于城市轨道交通高架桥梁工程当中。箱梁的适用性相对较好，作为高架区间的标准结构形式，同时还能用于大跨、曲线、变宽以及出岔等特殊区域。除此之外，箱梁的受力性能方面也是最稳定的，外观的线条也是相对顺畅的。同时，箱梁的钢筋配筋计算更为安全、更为简单；同时，不管是现浇还是预制，国内对箱梁这种结构形式的施工经验都十分丰富。

2.3 槽形梁

当对轨面到梁底的空间要求较高时，可以考虑采用槽形梁。槽型梁不仅可以使城市道路之间的立体交叉更为便利，同时还可以对工程线路的标高进行优化，使投资得以减少。同时槽形梁的两侧腹板还起到了降音防噪的重要作用，景观上也较为美观。但是由于槽形梁使用较多的预应力钢束，施工的进度相对较慢，施工的环节也相对复杂，施工工艺要求相对较高，造价也相对较高，相较于箱梁，施工经验与设计经验相对不够成熟。

2.4 空心板梁

当需要梁高很矮、跨度较小时，可以适当采用空心板梁。对于板梁的受力也十分清晰，施工与设计也很成熟。然而因为每一片的空心板梁间均存有铰接的现象，导致桥梁的整体受力情况较差，桥梁刚度也相对较弱。板梁的跨径通常需要保持在10～20m之间，不太美观，也不太经济。除此之外，在运营后，空心板梁的收缩徐变影响也很大，对于城市轨道交通桥梁的后期维护非常不利。

3 城市轨道高架桥梁下部结构比选与设计

城市轨道工程的工期在高架桥梁下部结构型式的比选当中起到了决定因素。针对双柱式桥墩而言，一般使用预应力混凝土盖梁，但是盖梁的预应力钢束一共分为：架梁之前的第一次张拉与架梁之后的第二次张拉。施工准备与工序相对较为繁杂且时间也相对较长。然而对于单柱式的桥墩来说，其主要运用的为钢筋混凝土盖梁，施工速率快，因此此类桥墩形式被城市轨道高架桥梁大量使用。在线路下方有地下管线时、桥梁下方有不可对其进行拆卸的相关构造物时，桥墩设计应当避开。在对桥墩承台尺寸进行选择的过程当中，设计时应当尽量考虑桥墩尺寸相对较小的双柱式预应力混凝土盖梁桥墩。

4 桥梁结构计算设计

4.1 梁格法计算

表1主要阐明了板壳有限元方法与梁格理论在同一片梁的不同工况之下，各个截面的变形情况以及受力计算的结果。从表1能够得出结论，二者相较而言差异相对较小，然而梁格的横纵梁的刚度取值相较要大一些。

表1 不同工况关键位置的受力情况

4.2 柱基的计算

工程当中的柱基通常都是按照群桩来进行计算，同时使用“m”法。计算柱基的过程当中，应当对恒载、活载、制动力、支座摩阻力及温度力最为不利的结合进行严格的检算，并对墩身的强度与裂缝宽度相应的验算工作。

4.3 盖梁纵向的计算

在对普通钢筋混凝土结构的桥墩来说，其盖梁纵向钢筋的抗弯配筋行设计的过程当中，一般能够使用平面杆系有限元的软件来对其计算。在有关计算的过程当中运用纵向抗剪设计，记录有关剪力方面的数据，然后再按照高架桥梁的有关要求来对斜筋及箍筋的进行配备普通钢筋，最后检验是否能够达到有关规范的要求。

4.4 盖梁横向的计算

双柱式的预应力混凝土盖梁主要是为了确保预应力钢束可以有弯起的高度，因此梁截面通常运用倒T的钢束布置形式，如此能够使得桥梁截面的高度得到相应的提升，还可以节省混凝土的用料。从盖梁底部伸出的墩柱部位是盖梁截面相对而言较为薄弱的部位，对该部位应当展开全方位的验算工作，并进行配筋加强处理。

4.5 墩柱和承台的计算

针对墩柱横纵向截面来说，应对其强度与裂缝宽度进行相应的验算。墩柱作为产生偏心受压的物体，若墩柱的高度相对较高时，则需要对纵向弯曲系数所致使的偏心增大系数进行考虑。在具体的施工当中，因为受到现场施工条件的约束，使墩柱遭受了巨大的弯矩，特别是高架桥梁的上部结构的跨径度较大时，则需要运用某些临时措施，如在墩柱的附近搭建满堂钢管支架。除此之外，针对承台的横纵向截面来说，针对强度与裂缝宽度的验算也是十分重要的，承台是由墩柱结构传下来的承载力用于验算，通常弯矩取桩截面的中心位置至墩柱结构边缘位置的距离。

4.6 施工过程的抗剪抗扭验算

在对上部结构进行架设的过程当中，由于现场条件的限制，致使难以根据设计方面的需顺利展开，在此种情形之下，横向架设是从盖梁的一端向着另外一端进行架梁，纵向则是以单跨架梁的施工办法来展开的。除此之外，还应当对于盖梁挑臂展开相对应的截面抗剪抗扭方面的验算。在验算的过程当中，应当先将其划分为多个部分，之后按照（cd2/Σcd2）来对各个单元剪力与扭矩展开相应的分配。

5 结束语

综上所述，城市轨道交通中的高架桥梁作为一道十分独特的风景线，而对此类桥梁设计而言，其结构设计与美观设计均是十分重要的，这两种设计直接影响着高架桥梁的视觉效果和利用成效。所以，在设计城市轨道高架桥梁的过程当中，不仅需要考虑到视觉上的协调，还需要对其结构设计更为重视，如此方可使高架桥梁的施工和后期维护得到更好的保障。