芜湖轨道交通工程轨道梁桥总体设计

赵 博 刘永锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式单轨是一种中低运量城市轨道交通系统,具有环保性能优异、景观效果好、地形地貌适应能力强、建设周期短、工程投资低等特点[1-2],特别适合中小城市轨道交通建设。跨座式单轨交通系统在美国、日本、俄罗斯、新加坡、马来西亚、阿联酋、韩国均有广泛运用[3],我国重庆轨道交通2 号线、3 号线均采用跨座式单轨[4]。

日本、韩国和我国重庆的单轨轨道梁桥均采用简支体系,每榀梁端设置支座和指形板,轨道梁和桥墩结构可分别施工,工序简单,但存在接缝、支座数量多带来的行车舒适性相对较差和养护工作量大等问题。美国拉斯维加斯、马来西亚、新加坡等单轨轨道梁桥采用连续体系,支座和指形板数量相对较少,通过减少接缝和支座数量提高行车舒适性并减少养护工作量,但是由于存在简支变连续的过程,工序相对复杂。

目前,国内已有多个城市正在建设或准备建设跨座式单轨交通[5]。以下结合芜湖轨道交通1 号线、2 号线一期工程,系统介绍跨座式轨道梁桥的设计要点及创新。

1.1 工程概况

芜湖轨道交通1 号线全长30.465 km,高架敷设,共设车站25 座,正线轨道梁桥长27.883 km,占比91.5%;2 号线一期全长15.787 km,地面及高架线长14.378 km,设高架车站10 座,地下车站1 座,正线轨道梁桥长12.629 km,占比约80%[6]。1 号线和2 号线一期线路平面示意见图1。

图1 芜湖轨道交通1 号线、2 号线一期线路平面

1.2 自然条件

(1)地形地貌

芜湖市地处长江下游,沿线地形较平坦开阔总体地貌为长江中下游冲积平原。

(2)气象

沿线属亚热带湿润季风气候,气候温和,雨量充沛,年平均气温12～20 ℃,全年主导风向为东北风,平均风速2.4 m/s。

(3)工程地质

沿线表层为第四系覆盖层,主要有粉质黏土、中砂、粗砂、砾砂、圆砾土、卵石土等;下伏基岩主要为泥质砂岩、凝灰岩、安山岩、闪长玢岩、石灰岩等。

(4)地震

沿线场地类别为Ⅱ～Ⅲ类,基本地震动峰值加速度值为0.05g,基本地震动反应谱特征周期为0.35 s。

1.3 建设条件

1 号线和2 号线一期工程分别跨越一次扁担河(属于内涝河流)。线路横贯芜湖市多个城区,主要沿道路中央敷设,路网密集,和市政道路交叉约57 处。

跨越芜宣高速、芜马高速、既有芜湖长江大桥公路引桥等高等级公路,并结合高速公路规划情况预留跨越条件。

穿越的铁路主要有宁安高铁、宁芜铁路、商合杭高铁、淮南铁路、轮南铁路共3 处节点,对轨道交通的建设影响较大。

与线路交叉的市政管线主要有燃气管道、给(排)水管道、电力管线、国防光缆、通信(信号)光缆等。

2 主要技术标准

根据芜湖轨道交通1 号线和2 号线一期可研阶段、初设阶段的研究成果和批复情况,结合采用的具体车型情况,选定的技术标准如下。

(1)系统制式:跨座式单轨,采用CMRⅡ型车。

(2)线路标准:双线,标准线间距4.6 m,最小平曲线半径100 m,最高设计速度80 km/h。

(3)设计荷载:CMRⅡ型荷载,超员时活载轴重140 kN,定员时活载轴重123 kN,车辆活载图式见图2。

图2 CMRⅡ车型活载图式(单位:mm)

(4)主体结构设计使用年限:100 年。

3 高架区间轨道梁桥设计

3.1 主要设计原则

(1)桥梁设计应遵循安全、适用、耐久、经济、美观、环保的基本原则,并充分考虑减振降噪、行车舒适的要求。

(2)墩位布置应符合城市规划要求,并结合对沿线道路交通、邻近建筑、地下管线及构筑物等的影响确定[7]。

(3)轨道梁桥应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性[8],必须满足列车运行、地震、风和其他荷载作用的要求。

(4)轨道梁结构应优先采用标准跨度的预制PC梁方案,符合设计标准化、制造工厂化、施工机械化的方向[9]。

(5)轨道梁桥应满足轨道梁安装要求,并满足机电设备系统缆线、避雷接地系统的安装要求,道岔桥和道岔平台还应满足道岔平面布置、道岔及其控制系统的安装和变形控制要求。

(6)区间轨道梁桥应满足紧急疏散乘客功能要求[10]。

3.2 结构体系比选和跨径选择

适合跨座式单轨轨道梁桥的结构体系有简支体系、连续梁体系、连续刚构体系。

简支体系构造简单、施工方便,在中小型跨径跨座式单轨中普遍应用,其跨径在20～25 m 之间;连续梁体系具有变形小、刚度大、伸缩缝少、行车平稳舒适、养护简单等优点,跨径在20～30 m 之间;连续刚构体系为墩梁固结上下部整体受力,能取消昂贵的桥梁支座,受力合理,可有效降低支点梁高和桥墩尺寸,满足低净空要求,符合视觉上通透、纤细的美感,跨径在20～30 m 之间。

轨道梁桥各种体系比较见表1。由表1 可知,连续刚构具有整体性好,舒适性高、少伸缩缝、无支座、造价低、养护维修工作量小等突出优点,经比选,除节点桥外,标准结构轨道梁桥均采用连续刚构体系。

表1 轨道梁桥3 种体系比较

从墩梁组合的比例来看,跨径与墩高的比例宜取2～3。本线高架区间平均墩高为10 m 左右,故采用25 m 或30 m 的跨径比较协调,两种跨径经济指标相近,施工难度差异较小,但30 m 跨径较25 m 跨径通透性强。综合以上分析,采用2×30 m 或3×30 m 一联作为标准跨径,连续刚构轨道梁桥示意见图3。

图3 连续刚构轨道梁桥示意(单位:cm)

3.3 墩形和横断面设计

高架桥梁墩柱通常有T 形墩和Y 形墩,墩柱断面以矩形为主。从结构受力简洁、施工方便的角度出发,结合芜湖当地特色对墩柱外形进行景观设计,在T 形墩基础上提出“鸠兹展翅”的设计方案,实现了力与美的统一,见图4。

图4 墩形设计方案

结合限界条件,在两轨道梁之间设置区间检修疏散通道作为机电设备系统管线敷设的通道,兼顾管线综合、人员疏散、检修养护等功能,轨道梁桥标准横断面见图5。

图5 轨道梁桥标准横断面(单位:mm)

3.4 基础设计

结合本线地质情况,高架区间选择采用钻孔灌注桩基础,桩基直径以1.0 m 和1.25 m 为主。结合连续刚构受力特点,从选取合理的基础刚度和控制沉降的角度出发,通过减少桩数增大桩径和桩长,选择中砂、粗砂、圆砾土和各种风化岩层作为桩底持力层,控制基础变形。

4 特殊节点轨道梁桥设计

当轨道梁桥跨度超过30 m 时,由于轨道梁宽度较小,混凝土结构将无法适用,需要采用钢-混凝土组合结构或钢结构,全线特殊节点轨道梁桥统计见表2。

表2 特殊节点轨道梁桥统计

4.1 简支钢-混凝土结合轨道梁桥

对于30～48 m 宽的路口,依据以往的工程实例,多采用T 形纵向悬臂墩托轨道梁的形式跨越[11-12]。从经济性、景观、施工便利性等方面综合考虑,提出一种大跨度简支钢-混凝土结合轨道梁,在钢结构顶面设置36 cm 厚的混凝土,以增大车轮和混凝土之间的摩擦力,钢和混凝土共同受力,减少后期顶面养护维修成本。1 号线和2 号线一期工程在跨越不同障碍物或路口处共采用67 榀双线简支钢-混凝土结合轨道梁和8 榀单线简支钢-混凝土结合轨道梁。

简支钢-混凝土结合轨道梁采用等截面布置,钢结构主梁采用单箱单室断面,箱室外宽0.55 m,横断面见图6,双线轨道梁之间通过钢横梁及平联连接。下部结构采用矩形墩,墩梁之间采用球形钢支座连接,墩柱下接承台桩基础,钢结构主梁和预制段混凝土在工厂预制,结合现场实际情况可选择:①先分段运至桥下拼接并浇筑混凝土后浇段后整孔吊装架设;②在桥位处搭设临时墩分段吊装桥上拼接再浇筑混凝土后浇段的架设方法。不同跨度简支钢-混凝土结合轨道梁主要指标和参数见表3。

表3 简支钢-混凝土结合轨道梁主要指标和参数

图6 简支-钢混凝土结合轨道梁横断面布置(单位:mm)

4.2 连续钢-混凝土结合轨道梁桥

当跨越大型路口或跨越高等级道路时,跨度需增加至48～65 m,宜采用变截面连续钢-混凝土结合轨道梁。钢结构主梁采用单箱单室断面,箱室外宽0.55 m,顶面混凝土厚度为0.36 m,双线轨道梁之间通过钢横梁及平联连接(见图7)。主梁架设采用分段预制、在桥位处搭设临时墩、吊装至墩顶后拼接、浇筑混凝土后浇段的施工方法。相较于传统连续梁上托PC 轨道梁方案,该方案结构高度更低,减少了PC 轨道梁的使用量,钢结构在工厂预制,现场吊装施工,对现状交通影响较小,整体施工周期短,经济性较好(见图8)。不同跨度连续钢-混凝土结合轨道梁主要指标见表4。

表4 连续钢-混凝土结合轨道梁主要指标

图7 连续钢-混凝土结合轨道梁横断面布置(单位:mm)

图8 连续钢-混凝土结合轨道梁桥实景

为提高连续梁负弯矩区混凝土的抗裂性,在中支点前后负弯矩区采用抗拔不抗剪剪力钉,以减少混凝土的受拉作用。

4.3 (52+80+52) m 连续钢桁轨道梁桥

线路沿赤铸山路路中走行上跨芜宣高速扁担河大桥,该处公路桥分幅设置,桥面现状宽度为25.5 m,双向四车道。经和高速公路管理部门沟通,按照拓宽后双向八车道,桥面宽度42 m 预留条件。由于和高速公路交角达43°,跨度需达到80 m,结合跨座式单轨“梁轨合一”的特点[13],提出(52+80+52) m 连续钢桁轨道梁,利用主桁上弦杆作为轨道梁。相较于传统结构梁上托轨道梁结构,桁式结构整体刚度较大,杆件结构纤细景观效果较好,可有效降低结构高度及工程造价。另外,由于地处高速公路桥、市政道路桥、河流交叉地段,临时墩设置条件受限,为降低对既有建筑物的影响,采用非对称墩底转体的施工方法,转体长度为(51.9+63.5) m,有效降低施工期间对高速公路运营安全的影响,交叉点平面示意和立面布置见图9、图10。

图9 跨越点平面示意

图10 立面布置(单位:m)

连续钢桁轨道梁全长183.8 m,桁高5.7 m,桁宽4.6 m,主桁弦杆均采用箱形截面,上弦杆外高1.88 m,下弦杆外高0.65 m,受车辆限制外宽均为0.55 m。斜腹杆采用H 形截面和箱型截面,竖杆采用H 形截面,主桁上、下弦杆节点均采用整体节点形式。上、下弦杆除上弦杆顶板为焊接外,其余均采用高强度螺栓拼接,横断面布置见图11,实景见图12。

图11 横断面布置(单位:mm)

图12 连续钢桁轨道梁实景

4.4 (2×70) m T 构单轨组合桥

线路在弋江路站至文化路站区间自东向西依次穿越宁安客专上下行线、宁芜铁路上下行线及牵出线、合杭高铁上下行线等7 条股道,交叉角度约为90°,为全线控制性工程,拟采用(2×70) m T 构单轨组合桥跨越。为减少对铁路的影响,降低施工风险,采用墩顶转体法施工[14-15]。整幅转体长度为2×69.9 m,顺时针旋转83°,不设置合龙段和边跨现浇段,立面布置见图13。

图13 (2×70) m T 构单轨组合桥立面(单位:m)

钢轨道梁截面总高1.5 m,外宽0.55 m,单箱单室截面。顶板厚24 mm,底板厚24 mm,腹板厚16 mm,底板下布置剪力钉,通过承轨台和T构主梁连接,承轨台截面为矩形,宽1.3 m,高0.35 m。T 构主梁采用变高度单箱单室直腹板箱梁结构,梁高3.2～6.9 m,箱梁板顶宽9.6 m,底板宽5.6 m,共划分为17 个梁段。采用单向预应力体系,纵向预应力钢束采用17 -φS15.2 和19-φS15.2 钢绞线,混凝土主梁采用C55 混凝土。横断面布置见图14。

图14 横断面布置(单位:mm)

5 结语

芜湖轨道交通1 号线、2 号线一期沿线多为城市建成区,市政路网纵横交错,穿越多条高等级道路和高速铁路,地下管线众多,建设条件极其复杂。在保证结构安全适用的前提下,本着绿色环保、经济美观、结构创新的设计理念,结合建设条件,采用新结构、新工艺,创新和丰富我国跨座式单轨交通轨道梁桥技术,通过研究取得如下成果。

(1)采用连续刚构PC 轨道梁桥,将PC 混凝土轨道梁跨度提升至30 m,减少接缝板和支座的使用量,提高舒适度的同时降低造价。

(2)提出双线简支和连续钢-混凝土结合轨道梁方案,解决跨度为30～65 m 之间PC 轨道梁难以实现的问题,采用钢混组合结构,在节省用钢量的同时改善桥面的防滑性能和结构噪声、振动问题;采用下平联将两榀轨道梁连接,增强了结构的整体性,结构美观通透,避免采用传统梁上托梁结构体量较大的问题。

(3)设计主跨为80 m 的连续钢桁轨道梁,利用主桁上弦杆作为轨道梁,可降低结构高度及制造难度,丰富跨座式单轨轨道梁桥类型,采用非对称转体跨越高等级公路,降低施工期间对高速公路运营安全的影响。

(4)采用2-70 m 转体法施工的大跨度跨座式单轨组合桥跨越多条高速铁路,借鉴高速铁路无砟轨道预制简支箱梁轨道板与桥面的连接构造,钢轨道梁底部承轨台范围采用剪力钉与T 构主梁进行连接,承受竖向与纵向剪力,去掉了传统的支座连接,降低结构高度的同时降低造价。