城市軌道交通高架橋的設(shè)計(jì)及實(shí)踐

1、城市軌道交通高架橋的設(shè)計(jì)及理論提要:根據(jù)莘閔軌道交通線高架橋的設(shè)計(jì),重點(diǎn)介紹了軌道高架橋設(shè)計(jì)的整體構(gòu)思,和一些重要問題的處理方法,并給出局部參考數(shù)據(jù),對(duì)同類設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。關(guān)鍵詞:軌道交通;高架橋;設(shè)計(jì)1前言上海市莘閔軌道交通線是上海市閔行區(qū)南北向一條重要的公共交通干線,是上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)組成局部,同時(shí)也是我國(guó)在建的第一條城市輕軌交通線。工程全長(zhǎng)約17.2k,其中高架橋合計(jì)總長(zhǎng)約16.7k。高架橋主要包括區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支跨(lp=30)、區(qū)間連續(xù)梁及跨1號(hào)線處滬杭鐵道路、橫瀝港等節(jié)點(diǎn)工程。自2000年7月起,我們承擔(dān)了連續(xù)梁和橫瀝港節(jié)點(diǎn)等的初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)工作。工程計(jì)有預(yù)

2、應(yīng)力及鋼筋混凝土連續(xù)梁、岔線梁17聯(lián),其中含節(jié)點(diǎn)工程1個(gè),合計(jì)線路長(zhǎng)度約1.8k,12月底完成了設(shè)計(jì)。該工程于2002年初施工完成。2莘閔軌道交通線高架橋建立環(huán)境、工程特點(diǎn)及整體設(shè)計(jì)構(gòu)思2.1莘閔軌道交通線高架橋建立環(huán)境莘閔軌道交通線是上海市在建的第四條軌道交通線,其中三條已建成或局部建成,第一條線路地鐵1號(hào)線全部走行于地下和地面,第二條地鐵2號(hào)線僅有局部(約一個(gè)半?yún)^(qū)間)為高架線路,第三條明珠線大局部為高架線路(約21.4k)。1999年開始修建的明珠線是上海乃至我國(guó)首次在城市軌道交通線建中大規(guī)模采用高架線路,城市軌道高架橋的設(shè)計(jì)、建造第一次在大型工程建立中得以理論。1998年明珠線高架橋設(shè)計(jì)

3、時(shí),已針對(duì)性地作了一些專題研究,理論上解決了一些設(shè)計(jì)、施工上的難題,提出工程上處理措施。截止2000年,從局部施工完成的工程上看,這些方案和措施,大局部都是成功和有明顯效果的,但也發(fā)現(xiàn)了一些問題,如橋梁整體造型差、構(gòu)造平安儲(chǔ)藏偏大和箱梁底板出現(xiàn)沿筋縱向裂縫等。此外,還由于時(shí)間關(guān)系,對(duì)一些關(guān)鍵問題,如根底豎向沉降等,也無法觀測(cè)和驗(yàn)證。由于明珠線為地鐵,莘閔線為輕軌,兩者也存在一些差異。所以,對(duì)莘閔線有關(guān)專家評(píng)價(jià)為:國(guó)內(nèi)初次建造,沒有成熟的經(jīng)歷,更無現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)。2.2莘閔軌道交通線高架橋工程特點(diǎn)與一般鐵路橋梁相比,莘閔軌道交通線高架橋有以下特點(diǎn):(1)列車荷載小(軸重110kn);運(yùn)營(yíng)最大車速vy

4、,ax=60k/h,(2)車速中等(最大設(shè)計(jì)車速vax=80k/h);(3)線路設(shè)計(jì)坡度大(最大設(shè)計(jì)坡度iax=30);(4)制動(dòng)長(zhǎng)度短(要求在100長(zhǎng)度內(nèi),將車速由60k?h制動(dòng)至零速);(5)長(zhǎng)鋼軌;(6)無碴承軌臺(tái)構(gòu)造;(7)造型美觀度要求高;(8)乘坐舒適度要求高。2.3莘閔軌道交通線高架橋整體設(shè)計(jì)構(gòu)思根據(jù)我國(guó)、特別是上海市軌道交通線高架橋建立的現(xiàn)狀和才能,重點(diǎn)考慮我國(guó)公路、城市道路和鐵路橋梁建立多年來積累的成熟經(jīng)歷和方法,充分吸收和借鑒上海市城市軌道明珠線高架橋建立的經(jīng)歷、教訓(xùn),適當(dāng)兼顧高架橋的現(xiàn)澆施工方法的需要,在莘閔軌道交通線高架橋整體設(shè)計(jì)時(shí),在以下幾方面進(jìn)展了重點(diǎn)研究:2.3.

5、1高架橋造型城市軌道高架橋的選型應(yīng)考慮功能、景觀、經(jīng)濟(jì)、施工、占地和工期等幾方面的需要,其景觀度的要求遠(yuǎn)高于鐵路和公路橋。通過對(duì)已建成的明珠線高架橋(如圖1)的調(diào)研,認(rèn)為其景觀度中等,主要缺乏為外形滯重,給人一種粗笨的視角效果;另外,從橋梁受力上講,橋墩平安儲(chǔ)藏略顯偏大。本次根據(jù)上海位于江南的地理環(huán)境和上海市道路用地范圍窄、兩側(cè)高樓林立的特點(diǎn),采用交融法和消去法,使之附屬城市環(huán)境。如圖2為最后采用的造型,其具有造型柔和,色彩暗淡,弱華視角效果的特點(diǎn)。圖1明珠線高架橋造型圖2莘閔線高架橋造型方案梁部同明珠線一樣采用箱梁,主要考慮了兩方面的原因:(1)箱梁整體受力好,收縮徐變小;適于中跨和大跨、簡(jiǎn)

6、支或連續(xù)構(gòu)造,可用于直線段、曲線段、出岔段和變寬段等,減少橋梁類型;設(shè)計(jì)施工經(jīng)歷豐富、成熟。(2)與明珠線保持協(xié)調(diào)一致。墩柱采用不同于明珠線的變形單柱墩,主要考慮莘閔線為橋?qū)拑H8.80的單箱單室箱梁,其梁部支承點(diǎn)相距較近;箱梁側(cè)面與墩柱上部可采用一致斜率的直線,而墩柱上下部采用大半徑圓曲線過渡,使得線條流暢、比例恰當(dāng)、造型優(yōu)美;對(duì)墩高的變化適應(yīng)性極強(qiáng);受力合理,材料節(jié)省,施工方便、快速。2.3.2連續(xù)梁梁部預(yù)應(yīng)力配束型式通常,對(duì)于跨度小于60、聯(lián)長(zhǎng)小于150的中等跨度現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,為方便施工,對(duì)預(yù)應(yīng)束的錨固采用端錨型式,與之相應(yīng),預(yù)應(yīng)力束多采用“長(zhǎng)配束型式布束。但莘閔線由于高架線路長(zhǎng)

7、達(dá)10多k,而梁部又只能采用現(xiàn)澆法施工,為使大局部梁可以平行施工,互不影響,預(yù)應(yīng)束的錨固只得采用內(nèi)錨型式。所以,對(duì)聯(lián)長(zhǎng)均不大于150,且多為三孔一聯(lián)的莘閔線連續(xù)梁如仍沿用傳統(tǒng)的“長(zhǎng)配束型式布束,顯然是不經(jīng)濟(jì)的。為此,對(duì)莘閔線連續(xù)梁配束式進(jìn)展了研究。結(jié)合懸灌法施工的連續(xù)梁的“短配束型式,共提出了三種配束方案:長(zhǎng)配束、短配束和長(zhǎng)短束。并以(27+40+27)連續(xù)梁,按施工圖設(shè)計(jì)階段進(jìn)展地了同精度比較,詳見表1:表1鋼束布置型式比較表經(jīng)綜合比較構(gòu)造尺寸及受力、施工難易程度和工程投資等,最終連續(xù)梁采用“長(zhǎng)短束配束方案。2.3.3縱向力及墩頂位移的控制對(duì)于無碴無枕的無縫線路,由于溫度變化、梁部撓曲引起梁

8、軌間發(fā)生相對(duì)位移和低溫時(shí)鋼軌斷裂均產(chǎn)生很大的縱向力。通過研究,縱向力對(duì)連續(xù)梁梁部影響一般小于3%,梁部設(shè)計(jì)時(shí)可以不計(jì);但對(duì)于墩柱及根底,受到的縱向力作用非常大,在設(shè)計(jì)中起主導(dǎo)作用,往往控制設(shè)計(jì);假設(shè)按單墩承全部縱向力,那么墩臺(tái)身及根底都比較龐大,工程上造成浪費(fèi),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮墩臺(tái)的共同作用,將縱向力按墩身剛度(含支座剛度)進(jìn)展分配,以使受力趨于合理,經(jīng)濟(jì)上節(jié)約。對(duì)于墩頂位移如按一般橋梁?5l1/2()控制,旅客乘車的舒適性就會(huì)很差。本次參照秦沈高速鐵路的意見,采用更嚴(yán)格的控制指標(biāo):按下部構(gòu)造縱向程度線剛度控制。但由于輕軌與高速鐵路存在區(qū)別,設(shè)計(jì)時(shí)將秦沈程度線剛度指標(biāo)進(jìn)展了適當(dāng)折減。2.3.4豎向

9、位移控制高架橋上的無碴無枕軌道在施工完成后,可以調(diào)節(jié)軌道高程只有軌道扣件。為保持運(yùn)營(yíng)期間線路設(shè)計(jì)坡度、減少線路豎向變形,橋梁工后豎向變位必須控制在軌道扣件允許范圍以內(nèi)。莘閔線采用的j21型的調(diào)高量為40,用于正線或輔助線;?型為10,用于岔線。圖3豎向變位關(guān)系示意圖工后豎向變位主要由預(yù)應(yīng)力梁的收縮徐變和根底不均勻沉降產(chǎn)生,參見圖3,可按下面方法計(jì)算:由圖3,可得s=axsz,sz-s(x)+s(x)(1)預(yù)應(yīng)力梁的收縮徐變s(x)和根底不均勻沉降s(x)為時(shí)間的函數(shù),豎向變位s可表示為:s=s(t)(2)橋梁豎向變位允許值s一般取為軌道扣件調(diào)高量的5075%,但對(duì)于?型,取為10。2.3.5抗

10、震設(shè)計(jì)目前,我國(guó)還沒有軌道交通高架橋的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),而通常橋梁抗震設(shè)計(jì)中普遍采用的?鐵路工程抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?及?公路工程抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?,又沒有或無法考慮橋上無縫線路軌道對(duì)橋梁構(gòu)造的作用。對(duì)此,同濟(jì)大學(xué)的馬坤全等進(jìn)展了研究。在設(shè)計(jì)中采取了如下原那么或措施來進(jìn)展抗震設(shè)計(jì)。高架橋上軌道構(gòu)造對(duì)橋梁的縱向約束作用,顯著減少了橋梁的縱向地震響應(yīng)及對(duì)橋梁的抗震延性要求。板式橡膠支座可以明顯減少橋梁的地震響應(yīng),改善橋梁的抗震延性性能。墩柱縱向鋼筋的配筋率10.95%,能確保該高架橋滿足“小震不壞,中震可修,大震不倒的強(qiáng)度和變形控制原那么。2.2.3.6根底沉降控制由于莘閔線設(shè)計(jì)時(shí),明珠線高架橋根底沉降的資料還來

11、不及反響,故莘閔線仍采用明珠線高架橋根底沉降控制的專題研究結(jié)論。定性上將大局部樁根底置于2層上,對(duì)于少量2缺失者,置于1層上;定量上采用鐵路、公路及上海市標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展沉降檢算,控制絕對(duì)沉降不大于30,相對(duì)沉降差不大于1015。為減少沉降,要求樁根底施工完成與承軌臺(tái)開始施工的時(shí)間間隔不小于一定的時(shí)間。該時(shí)間一般取為90d。2.3.7施工方法根據(jù)上海市建立的經(jīng)歷、莘閔線的實(shí)際情況和上海市現(xiàn)有的施工程度、經(jīng)歷等,考慮到高架橋高度通常不大于8.0,個(gè)別地段(如車站范圍等)也不大于2.12.0,經(jīng)過綜合比較工期、經(jīng)濟(jì)、施工難易程度和施工期間對(duì)環(huán)境、居民的影響等,橋梁采取現(xiàn)澆法施工,且以滿堂支架現(xiàn)澆法為主。梁

12、部采用商品混凝土、泵送、滿堂支架澆筑;墩柱采用商品混凝土、泵送或人工倒運(yùn)、現(xiàn)澆。根底樁基假設(shè)為打入樁,那么以預(yù)制為主;假設(shè)為灌注樁或其他形式根底,多為商品混凝土就地澆筑。為減少梁部構(gòu)造的收縮徐變和根底的沉降以滿足無碴軌道構(gòu)造對(duì)橋梁豎向變形限制的要求,要求承軌臺(tái)施工開始與梁體施工完成的時(shí)間間隔不小于一定數(shù)值,對(duì)簡(jiǎn)支梁,一般為90d,對(duì)連續(xù)梁為180d。為保證工期,采取多點(diǎn)、面平行施工梁部。3連續(xù)梁梁部設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)根本資料和參數(shù)取值3.1.1根本資料(1)列車活載:如圖4:(2)線路數(shù):雙線,線間距3.3;(3)橋梁寬度:直線段8.0;(4)行車最大速度:80k/h;(5)地震力:設(shè)計(jì)烈度7度,

13、場(chǎng)地土類別類。圖4列車活載圖式3.1.2設(shè)計(jì)參數(shù)二期恒載:64kn/;支座不均勻沉降:考慮徐變折減后取0.51.0;溫度力:均勻升溫20、降溫-10;非均勻升溫5;列車橫向搖擺力:按豎向活載的2.5%計(jì);列車活載沖擊系數(shù):1+=1+12/(38+l)rjy=1860pa,st1529錨具。制動(dòng)力和牽引力:按豎向活載的15%計(jì),當(dāng)與(2)施工方法:滿堂腳手架現(xiàn)澆法施工。離心力或和沖擊力組合時(shí),按10%計(jì)。(3)計(jì)算理論:全預(yù)應(yīng)力構(gòu)造。3.1.3其他資料(1)材料:3.2梁部橫斷面、立面設(shè)計(jì)混凝土:50;典型的橫斷面如圖5,立面圖根據(jù)需要設(shè)計(jì)有三j15.20高強(qiáng)度低松馳鋼絞線,如圖6:圖5橋梁典型

14、橫斷面圖圖6橋梁立面圖程序可供選擇,本次采用西南交大李喬教授等的as23.3構(gòu)造受力分析、計(jì)算b和大橋局的prbp等電算程序,對(duì)個(gè)別工程,采用對(duì)于構(gòu)造受力分析、計(jì)算,按薄壁曲線箱梁理論,手工計(jì)算和調(diào)整。采用箱梁有限元法。首先將構(gòu)造簡(jiǎn)化為計(jì)算簡(jiǎn)圖,并劃對(duì)于詳細(xì)計(jì)算過程,可參見專著或文獻(xiàn)資料。下面分單元和節(jié)點(diǎn),根據(jù)不同施工階段荷載、構(gòu)造和約束等給出局部計(jì)算成果:的不同進(jìn)展計(jì)算。詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)國(guó)內(nèi)有很多成熟的專用表2連續(xù)梁構(gòu)造尺寸表表3連續(xù)梁應(yīng)力計(jì)算及配束表x控制點(diǎn)至梁端的間隔 ()。n采用的預(yù)應(yīng)力根數(shù)。3.4徐變、疲勞分析計(jì)算土齡期3年時(shí),構(gòu)造徐變拱度為11.9。另外,也對(duì)30簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)展了疲勞分

15、析,常用荷載下,鋼為定量預(yù)應(yīng)力混凝土梁的徐變影響,采用徐變量絞線的活載應(yīng)力幅為9.2pa,小于允許的疲勞強(qiáng)度較大的進(jìn)展了分析計(jì)算,其在二期恒載施加后至混凝值52.0pa;混凝土的最大疲勞應(yīng)力為6.2pa,小于允許的最大疲勞應(yīng)力20.1pa。由以上計(jì)算,認(rèn)為3.5主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)徐變、疲勞對(duì)連續(xù)梁不控制,可不予檢算。表4連續(xù)梁主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)指標(biāo)1:每2橋面的含量。指標(biāo)2:每3混凝土的含量(對(duì)普通鋼筋,不含齒塊,隔板、橫梁)。混凝土指標(biāo):每2橋面的橋?qū)挵淳€間距+4.7計(jì)。3.6按主+特檢算,允許應(yīng)力進(jìn)步45%。通過計(jì)算,莘閔線的活載作用與汽2超20級(jí)相當(dāng)4.2墩柱構(gòu)造尺寸或略大。與明珠線相比,總體上講略小,詳細(xì)為活載比約為明珠線的0.84,總荷載比約為0.94,隨跨度增大該值也變大。從混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼材用量上講,一般均大于公路汽2超20級(jí)梁;與明珠線比較,除普通鋼筋大于明珠線外,其余兩項(xiàng)相當(dāng)。從構(gòu)造尺寸上講,一般均大于公路汽2超20級(jí)梁;與明珠線接近。4墩柱及根底設(shè)計(jì)墩柱及根底的設(shè)計(jì)、計(jì)算,除荷載組合與鐵路及公路橋梁差異較大外,計(jì)算原理、方法均無本質(zhì)差異。荷載組合的差異主要由軌道高