城市轨道交通高架桥的设计及实践
提 要: 根据莘闵轨道线高架桥的设计, 重点介绍了轨道高架桥设计的整体构思, 和一些重要问题的处理方法, 并给出部分数据, 对同类设计具有一定的借鉴作用。
关键词: 轨道交通; 高架桥; 设计
1 前言
上海市莘闵轨道交通线是上海市闵行区南北向一条重要的公共交通干线, 是上海市轨道交通系统中的一个组成部分, 同时也是我国在建的第一条城市轻轨交通线。工程全长约17. 2km, 其中高架桥合计总长约16. 7km 。高架桥主要包括区间标准简支跨(Lp= 30 m )、区间连续梁及跨1 号线处沪杭铁路线、横沥港等节点工程。
自2000 年7 月起, 我们承担了连续梁和横沥港节点等的初步设计及施工图设计工作。工程计有预应力及钢筋混凝土连续梁、岔线梁17 联, 其中含节点工程1 个, 合计线路长度约1. 8km, 12 月底完成了设计。该工程于2002 年初施工完成。
2 莘闵轨道交通线高架桥建设环境、工程特点及整体设计构思
2. 1 莘闵轨道交通线高架桥建设环境
莘闵轨道交通线是上海市在建的第四条轨道交通线, 其中三条已建成或部分建成, 第一条线路地铁1 号线全部走行于地下和地面, 第二条地铁2 号线仅有局部(约一个半区间) 为高架线路, 第三条明珠线大部分为高架线路(约21. 4 km)。1999 年开始修建的明珠线是上海乃至我国首次在城市轨道交通线建中大规模采用高架线路, 城市轨道高架桥的设计、建造第一次在大型工程建设中得以实践。
1998 年明珠线高架桥设计时, 已针对性地作了一些专题研究, 理论上解决了一些设计、施工上的难题, 提出工程上处理措施。截止2000 年, 从部分施工完成的工程上看, 这些方案和措施, 大部分都是成功和有明显效果的, 但也发现了一些问题, 如桥梁整体造型差、结构安全储备偏大和箱梁底板出现沿筋纵向裂缝等。此外, 还由于时间关系, 对一些关键问题, 如基础竖向沉降等, 也无法观测和验证。由于明珠线为地铁, 莘闵线为轻轨, 两者也存在一些差别。所以, 对莘闵线有关专家评价为: 国内初次建造, 没有成熟的经验, 更无现成的规范。
2. 2 莘闵轨道交通线高架桥工程特点
与一般铁路桥梁相比, 莘闵轨道交通线高架桥有下列特点:
(1) 列车荷载小(轴重110 kN ); 运营最大车速V y, m ax= 60 km /h,
(2) 车速中等(最大设计车速Vm ax= 80 km /h);
(3) 线路设计坡度大(最大设计坡度im ax= 30‰);
(4) 制动长度短(要求在100 m 长度内, 将车速由60 km ?h 制动至零速);
(5) 长钢轨;
(6) 无碴承轨台结构;
(7) 造型美观度要求高;
(8) 乘坐舒适度要求高。
2. 3 莘闵轨道交通线高架桥整体设计构思
根据我国、特别是上海市轨道交通线高架桥建设的现状和能力, 重点考虑我国公路、城市道路和铁路桥梁建设多年来积累的成熟经验和方法, 充分吸收和借鉴上海市城市轨道明珠线高架桥建设的经验、教训, 适当兼顾高架桥的现浇施工方法的需要, 在莘闵轨道交通线高架桥整体设计时, 在以下几方面进行了重点研究:
2. 3. 1 高架桥造型
城市轨道高架桥的选型应考虑功能、景观、、施工、占地和工期等几方面的需要, 其景观度的要求远高于铁路和公路桥。通过对已建成的明珠线高架桥(如图1) 的调研, 认为其景观度中等, 主要不足为外形滞重, 给人一种粗笨的视角效果; 另外, 从桥梁受力上讲, 桥墩安全储备略显偏大。本次根据上海位于江南的地理环境和上海市道路用地范围窄、两侧高楼林立的特点, 采用融合法和消去法, 使之从属城市环境。如图2 为最后采用的造型, 其具有造型柔和, 色彩暗淡, 弱华视角效果的特点。
图1 明珠线高架桥造型
图2 莘闵线高架桥造型方案
梁部同明珠线一样采用箱梁, 主要考虑了两方面的原因: (1) 箱梁整体受力好, 收缩徐变小; 适于中跨和大跨、简支或连续结构, 可用于直线段、曲线段、出岔段和变宽段等, 减少桥梁类型; 设计施工经验丰富、成熟。
(2) 与明珠线保持协调一致。
墩柱采用不同于明珠线的变形单柱墩, 主要考虑莘闵线为桥宽仅8. 80m 的单箱单室箱梁, 其梁部支承点相距较近; 箱梁侧面与墩柱上部可采用一致斜率的直线, 而墩柱上下部采用大半径圆曲线过渡, 使得线条流畅、比例恰当、造型优美; 对墩高的变化适应性极强; 受力合理, 材料节省, 施工方便、快速。
2. 3. 2 连续梁梁部预应力配束型式
通常, 对于跨度小于60 m、联长小于150 m 的中等跨度现浇预应力混凝土连续梁, 为方便施工, 对预应束的锚固采用端锚型式, 与之相应, 预应力束多采用“长配束”型式布束。但莘闵线由于高架线路长达10 多km , 而梁部又只能采用现浇法施工, 为使大部分梁可以平行施工, 互不影响, 预应束的锚固只得采用内锚型式。所以, 对联长均不大于150 m , 且多为三孔一联的莘闵线连续梁如仍沿用传统的“ 长配束”型式布束, 显然是不经济的。为此, 对莘闵线连续梁配束式进行了研究。
结合悬灌法施工的连续梁的“ 短配束”型式, 共提出了三种配束方案: 长配束、短配束和长短束。并以(27 + 40+ 27) m 连续梁, 按施工图设计阶段进行地了同精度比较, 详见表1:
表1 钢束布置型式比较表
经综合比较结构尺寸及受力、施工难易程度和工程投资等, 最终连续梁采用“ 长短束”配束方案。
2. 3. 3 纵向力及墩顶位移的控制
对于无碴无枕的无缝线路, 由于温度变化、梁部挠曲引起梁轨间发生相对位移和低温时钢轨断裂均产生很大的纵向力。通过研究, 纵向力对连续梁梁部影响一般小于3% , 梁部设计时可以不计; 但对于墩柱及基础, 受到的纵向力作用非常大, 在设计中起主导作用, 往往控制设计; 若按单墩承全部纵向力, 则墩台身及基础都比较庞大, 工程上造成浪费, 设计时应考虑墩台的共同作用, 将纵向力按墩身刚度(含支座刚度) 进行分配, 以使受力趋于合理, 经济上节约。
对于墩顶位移如按一般桥梁? ≤5L 1/2 (mm ) 控制, 旅客乘车的舒适性就会很差。本次参照秦沈高速铁路的意见, 采用更严格的控制指标: 按下部结构纵向水平线刚度控制。但由于轻轨与高速铁路存在区别, 设计时将秦沈水平线刚度指标进行了适当折减。
2. 3. 4 竖向位移控制
高架桥上的无碴无枕轨道在施工完成后, 可以调节轨道高程只有轨道扣件。为保持运营期间线路设计坡度、减少线路竖向变形, 桥梁工后竖向变位必须控制在轨道扣件允许范围以内。莘闵线采用的W J21 型的调高量为40 mm , 用于正线或辅助线; ? 型为10 mm , 用于岔线。
图3 竖向变位关系示意图
工后竖向变位主要由预应力梁的收缩徐变和基础不均匀沉降产生, 参见图3, 可按下面方法: 由图3, 可得S= m ax[Sz, Sz-S”(x)+ S’(x)] (1) 预应力梁的收缩徐变S′(x) 和基础不均匀沉降S”(x) 为时间的函数, 竖向变位S 可表示为: S= S (t) (2) 桥梁竖向变位允许值[S ]一般取为轨道扣件调高量的50～ 75% , 但对于? 型, 取为10 mm 。
2. 3. 5 抗震设计
目前, 我国还没有轨道交通高架桥的抗震设计规范, 而通常桥梁抗震设计中普遍采用的《铁路工程抗震设计规范》及《公路工程抗震设计规范》, 又没有或无法考虑桥上无缝线路轨道对桥梁结构的作用。对此, 同济大学的马坤全等进行了研究。在设计中采取了如下原则或措施来进行抗震设计。① 高架桥上轨道结构对桥梁的纵向约束作用, 显著减少了桥梁的纵向地震响应及对桥梁的抗震延性要求。② 板式橡胶支座可以明显减少桥梁的地震响应, 改善桥梁的抗震延性性能。③ 墩柱纵向钢筋的配筋率Θ1≥0. 95% , 能确保该高架桥满足“ 小震不坏, 中震可修, 大震不倒”的强度和变形控制原则。
2. 2. 3. 6 基础沉降控制
由于莘闵线设计时, 明珠线高架桥基础沉降的资料还来不及反馈, 故莘闵线仍采用明珠线高架桥基础沉降控制的专题研究结论。定性上将大部分桩基础置于⑦2 层上, 对于少量⑦2 缺失者, 置于⑧1 层上; 定量上采用铁路、公路及上海市规范进行沉降检算, 控制绝对沉降不大于30 mm, 相对沉降差不大于10～ 15 mm 。为减少沉降, 要求桩基础施工完成与承轨台开始施工的时间间隔不小于一定的时间。该时间一般取为90 d。
2. 3. 7 施工方法
根据上海市建设的经验、莘闵线的实际情况和上海市现有的施工水平、经验等, 考虑到高架桥高度通常不大于8. 0m, 个别地段(如车站范围等) 也不大于2. 12. 0m, 经过综合比较工期、经济、施工难易程度和施工期间对环境、居民的影响等, 桥梁采取现浇法施工, 且以满堂支架现浇法为主。梁部采用商品混凝土、泵送、满堂支架浇筑; 墩柱采用商品混凝土、泵送或人工倒运、现浇。基础桩基若为打入桩, 则以预制为主; 若为灌注桩或其他形式基础, 多为商品混凝土就地浇筑。为减少梁部结构的收缩徐变和基础的沉降以满足无碴轨道结构对桥梁竖向变形限制的要求, 要求承轨台施工开始与梁体施工完成的时间间隔不小于一定数值, 对简支梁, 一般为90 d, 对连续梁为180 d。为保证工期, 采取多点、面平行施工梁部。
3. 1 设计基本资料和参数取值
3. 1. 1 基本资料
(1) 列车活载: 如图4:
(2) 线路数: 双线, 线间距3. 3m;
(3) 桥梁宽度: 直线段8. 0m;
(4) 行车最大速度: 80 km /h;
(5) 地震力: 设计烈度7 度, 场地土类别类。
图4 列车活载图式
3. 1. 2 设计参数
·二期恒载: 64 kN /m;
·支座不均匀沉降: 考虑徐变折减后取0. 5～ 1. 0 cm;
·温度力: 均匀升温20℃ 、降温-10℃; 非均匀升温5℃;
·列车横向摇摆力: 按竖向活载的2. 5% 计;
·列车活载冲击系数: 1+ Λ= 1+ 12/(38+ L ) R jy= 1 860M Pa, STM 1529 锚具。
·制动力和牵引力: 按竖向活载的15% 计, 当与(2) 施工方法: 满堂脚手架现浇法施工。离心力或和冲击力组合时, 按10% 计。(3) 理论: 全预应力结构。
3. 1. 3 其他资料
(1) 材料: 3. 2 梁部横断面、立面设计
混凝土: C50; 典型的横断面如图5, 立面图根据需要设计有三j 15. 20 高强度低松驰钢绞线, 如图6:
图5 桥梁典型横断面图 图6 桥梁立面图程序可供选择, 本次采用西南
交大李乔教授等的A S23. 3 结构受力分析、计算CB 和大桥局的PRB P 等电算程序, 对个别项目, 采用对于结构受力分析、计算, 按薄壁曲线箱梁理论, 手工计算和调整。采用箱梁有限元法。首先将结构简化为计算简图, 并划对于具体计算过程, 可参见专著或资料。下面分单元和节点, 根据不同施工阶段荷载、结构和约束等给出部分计算成果: 的不同进行计算。具体设计时国内有很多成熟的专用
表2 连续梁结构尺寸表
表3 连续梁应力计算及配束表
X ——控制点至梁端的距离(m )。N 采用的预应力根数。
3. 4 徐变、疲劳分析计算土龄期3 年时, 结构徐变拱度为11. 9mm 。另外, 也对30 m 简支预应力梁进行了疲劳分析, 常用荷载下, 钢为定量预应力混凝土梁的徐变影响, 采用徐变量绞线的活载应力幅为9. 2M Pa, 小于允许的疲劳强度较大的进行了分析计算, 其在二期恒载施加后至混凝值52. 0M Pa; 混凝土的最大疲劳应力为6. 2M Pa, 小于允许的最大疲劳应力20. 1M Pa 。由以上计算, 认为3. 5 主要指标徐变、疲劳对连续梁不控制, 可不予检算。
表4 连续梁主要经济指标
指标1: 每m2 桥面的含量。指标2: 每m3 混凝土的含量(对普通钢筋, 不含齿块, 隔板、横梁)。混凝土指标: 每m2 桥面的桥宽按线间距+ 4. 7m 计。
3. 6 按主+ 特检算, 允许应力提高45% 。通过计算, 莘闵线的活载作用与汽2超20 级相当 4. 2 墩柱结构尺寸或略大。与明珠线相比, 总体上讲略小, 具体为活载比约为明珠线的0. 84, 总荷载比约为0. 94, 随跨度增大该值也变大。从混凝土、预应力钢束和普通钢材用量上讲, 一般均大于公路汽2超20 级梁; 与明珠线比较, 除普通钢筋大于明珠线外, 其余两项相当。从结构尺寸上讲, 一般均大于公路汽2超20 级梁; 与明珠线接近。
4 墩柱及基础设计
墩柱及基础的设计、计算, 除荷载组合与铁路及公路桥梁差别较大外, 计算原理、方法均无本质差别。荷载组合的差别主要由轨道高架桥特有的轨道纵向力引起。为节约篇幅, 以下重点介绍其与铁路、公路桥设计上的不同处和主要设计成果。
图7 墩柱构造图
5 结束语
墩柱配筋一般远大于汽2超20 级桥梁, 接近普通正在成为城市基础设施的轨道中, 高架桥占国铁桥梁。对于墩高小于8. 0m, 跨度30～ 40 m 高架线路长度85～ 95% , 而轨道交通高架桥的设计、施工桥, 一般每延m、每m2 桥梁墩柱混凝土为1. 2m3、在我国刚刚起步, 为此, 研究桥梁结构型式、造型、荷载0. 15m 3, 钢筋为234 kg 、29. 3kg 。承台混凝土含筋量的作用和施工方法、工艺等, 已成为迫切课题。