城市轨道交通专用桥横向刚度的规范对比分析

2020-09-24任文渊向活跃谢佳桃李永乐何孟松

铁道标准设计 2020年10期

马虎,任文渊,向活跃,谢佳桃,李永乐,何孟松

(1.重庆市轨道交通(集团)有限公司,重庆 400042； 2.西南交通大学桥梁工程系,成都 610031)

随着我国城市轨道交通的发展，大跨度城市轨道交通专用桥梁逐渐增多，如：已建成的重庆蔡家嘉陵江特大桥，主跨为250 m；重庆高家花园嘉陵江轨道专用桥，主跨为350 m；重庆鹅公岩轨道专用桥，主跨达到600 m；对于跨度100～200 m的轨道交通专用桥梁则更多。大跨度城市轨道交通专用桥通常为双线桥，桥面的宽度较为有限，导致桥梁的横向刚度相对较小，已成为设计中的控制性因素之一。因此，对比分析已有规范和建成桥梁的横向刚度限值是非常必要的。

李永乐等[1]对德、中、日三国规范关于梁端竖向折角限值进行了对比，得出了中国现有规范限值有待完善，特别讨论了大跨度铁路桥梁的特殊性；刘建瑞等[2]对于通过对比国内外铁路桥梁设计规范横向刚度限值进行调研分析，对横向刚度限值提出修订建议。已有的研究均是针对铁路桥梁，针对城市轨道交通专用桥的对比分析较为少见。

城市轨道交通专用桥相比铁路及公铁两用桥有自己的特殊性，即桥梁宽度较窄[3]，设计时与铁路及公铁两用桥梁略有差异。我国城市轨道交通专用桥的规范多参考铁路桥梁规范，对其专门研究相对较少。城市轨道交通专用桥的横向刚度问题是制约其向大跨度方向发展的主要因素。

本文首先简要介绍我国城市轨道交通专用桥与铁路桥梁规范中关于桥梁的横向刚度的规定，然后搜集了部分已建成的大跨度铁路桥梁和城市轨道交通专用桥的横向刚度，对比分析了横向挠跨比、宽跨比等横向刚度的设计值。

1 规范中桥梁横向刚度的规定

横向刚度规定限值的目的在于保证列车以规定的速度通过桥梁时，桥梁结构不出现激励的振动，防止车轮脱轨及保证乘客过桥的舒适性[4]。桥梁横向刚度的不同指标反映出桥梁的不同的特性，涉及的控制指标相对较多，不同规范采用的横向刚度评价指标类型有所差异，对于桥梁横向刚度通常按偏于严格的原则确定其限值。以下分别介绍铁路桥梁以及城市轨道交通专用桥对于横向刚度控制指标的规定。

1.1 铁路桥梁横向刚度的规定

综合国内铁路规范关于横向刚度的规定，铁路桥梁设计规范对横向刚度的控制包括4种类型。一是在考虑列车横向摇摆力、离心力、风力以及温度作用下梁体横向水平挠度(即横向挠跨比)；二是梁体横向自振频率；三是对梁端水平折角；四是宽跨比。规范具体规定如表1所示。表1中未列出《铁路桥梁检定规范》的相关规定，是因该规范主要针对运营性能的检验提供标准。

表1 铁路桥梁横向刚度控制指标规定

由表1可见，铁路规范中，3种规范的加载条件基本相同，即在列车横向摇摆力、离心力、风力以及温度作用组合条件下，横向挠跨比的限值均为1/4 000。其中，TB 1002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》规定，对于温度变形敏感的结构，根据实际情况计入温度作用。TB 10621—2014《高速铁路设计规范》中横向挠跨比是针对96 m及以下跨度梁体部分横向刚度限值， TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》是针对跨度≯168 m的钢梁，以及跨度≯128 m墩高不超过50 m的混凝土桥梁。TB 10621—2014《高速铁路设计规范》规范适用于250～350 km/h的高速铁路，而TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》适用于高速铁路、城际铁路、客货共线Ⅰ级和Ⅱ级铁路、重载铁路，不同规范适用的线路类型不同，适用的跨度也不尽相同，但其对横向挠跨比的规定是一致的。

对于横向自振频率，TB 1002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》规范对于采用后张法预应力梁有相关规定，另外两种规范未考虑该项指标的控制，而宽跨比也有相关规定。对于梁端水平折角，《高速铁路设计规范》以及《铁路桥涵设计规范》均对该指标有规定。特别地，《铁路桥涵设计规范》同时考虑了设计时速和跨径对于梁端水平折角的影响以及部分钢梁桥宽跨比做出了限制。

1.2 城市轨道交通桥梁横向刚度的规定

城市轨道交通的相关规范对于城市轨道交通桥梁横向刚度控制指标的规定，相比于铁路规范，未对横向频率进行考虑，仅仅考虑横向挠跨比、桥墩墩顶位移、墩顶线刚度等。规范具体规定如表2所示。

表2 城市轨道交通桥梁横向刚度规定

由表2可知，与城市轨道交通相关的规范中，对桥梁横向挠跨比的规定与铁路桥梁一致，均为1/4 000，其中GB/T51234—2017《城市轨道交通桥梁设计规范》和GB 50157—2013《地铁设计规范》加载条件一致，而CJJ 242—2016《城市道路与轨道交通合建桥梁设计规范》与TB 1002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》的加载条件一致。GB/T51234—2017《城市轨道交通桥梁设计规范》适用于车速不超过120 km/h，梁式桥跨度不超150 m，斜拉桥和拱桥跨度不超过400 m，结合梁跨度≯80 m。而GB 50157—2013《地铁设计规范》适用于车速不超过100 km/h情况，CJJ 242—2016《城市道路与轨道交通合建桥梁设计规范》适用于车速不超过120 km/h情况。不同规范适用条件有所差异，但横向挠跨比的限值是一样的。随着跨度的增加，不同设计车速、不同线路等级仍采用相同的标准时，相当于提高了低车速线路的设计要求，对于大跨度城市轨道交通专用桥而言建设的成本可能会明显增加。此外，3种规范均对桥墩墩顶位移进行了控制。特别地，GB/T51234—2017《城市轨道交通桥梁设计规范》同时考虑了跨径对桥墩墩顶位移的影响，当跨度<5 m时，梁缝水平折角不应大于2.5‰。

横向振动频率、宽跨比与速度无关，多仅用于中小跨度桥梁，横向挠跨比、梁端水平折角和桥墩墩顶位移则通过位移(或角位移)进行控制。综合已有规范，横向挠跨比是铁路桥梁相关规范和城市轨道交通桥梁相关规范关注的重点，因此以下实际桥梁横向刚度的调研主要以横向挠跨比为主。

2 桥梁横向刚度的调查

因很多文献中均未给出横向挠跨比等参数，因此本次桥梁横向刚度共选取了国内外20座典型桥梁的横向刚度指标，以下分别从桥梁主跨跨度、交通类型和结构类型以及横向挠跨比等对所选取的桥梁进行统计，具体数据如表3所示。

表3 桥梁横向刚度的基本数据

对表3中的横向刚度数据，铁路以及公铁两用桥梁的数据在参考文献中若与规范限值进行了对比，则认为其采用了规范所规定的加载条件。温州瓯江北口过江通道的挠跨比为风-车-桥耦合振动分析结果，风速为25 m/s，其加载条件虽与规范有所差异，但对于大跨度桥梁而言，列车的横向摇摆力相对风荷载而言已较小，此时风荷载占主要部分，因此可认为与规范加载条件类似。部分文献只列出了挠跨比，但并未明确给出其加载条件，这一部分桥梁均是来自日本的桥梁，其横向挠跨比均相对较大，其加载条件应与我国规范中的加载条件有所有区别。轨道交通专用桥的横向刚度数据由重庆市轨道交通(集团)有限公司提供，按规范的条件进行加载。

将表3中加载条件不明确的桥梁去掉后，城市轨道交通专用桥和铁路桥的横向挠跨比对比见图1。由图1可知，随着跨度的增加，横向挠跨比已较难满足规范规定的限值要求。虽然部分桥梁的跨度远大于规范规定的范围，但其横向刚度仍满足要求，此时桥梁的宽度通常较宽，以城轨专用桥为例，在小跨度的梁式桥中，双线桥的横向宽度在12.0 m左右，但从表3可以看出，跨度增加大时，横向宽度显著增加。

图1 桥梁横向挠跨比

城市轨道交通专用桥和铁路桥的宽跨比的对比如图2所示。我国多数规范均未对宽跨比进行规定，仅TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》中对简支板梁和下承式钢桁梁宽跨比进行了规定，但宽跨比在一定程度上也可以反映桥梁的横向刚度。从图2可见，随着跨度的增加，宽跨比总体上随跨度的增加而减小，这与跨度增加，横向刚度减小的规律是一致的。公铁和公轨两用桥梁的桥面宽度通常较大，其横向刚度通常能满足要求，但对于大跨度轨道专用桥而言，若仍采用1/4 000的横向挠跨比作为桥梁横向刚度的限值时，建设成本可能会明显增加。

图2 桥梁宽跨比

从横向挠跨比限值的加载条件为风力、列车横向摇摆力、温度作用等，是进行使用极限状态的验算，针对的是横风作用下列车通过桥梁时的安全性。因此，在城市轨道交通桥梁的相关规范中，对于跨度超过100 m的桥梁要求进行车-桥及风-车-桥耦合振动分析，可作为对桥梁横向刚度规定的一个重要补充。此外，还可以考虑适当放宽横向刚度的限值要求，如：鹅公岩城市轨道交通专用桥在设计时则降低了横向挠跨比限值。