津?yàn)I輕軌常用跨度橋梁結(jié)構(gòu)型式的選擇
摘 要:津?yàn)I輕軌工程近40 km 采用高架橋梁,選定合理的橋梁結(jié)構(gòu)型式至關(guān)重要。根據(jù)工程及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,明確橋型選擇原則,同時(shí)提出7 種橋型結(jié)構(gòu),分別論述其各自的技術(shù)特點(diǎn);并結(jié)合地基基礎(chǔ)實(shí)際情況,全面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,提出推薦的橋梁結(jié)構(gòu)類型。關(guān)鍵詞:津?yàn)I輕軌; 橋梁; 結(jié)構(gòu)型式; 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選1 概述
津?yàn)I輕軌一期工程起自中山門,終點(diǎn)為天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第九大街,大部分線路沿津塘公路行進(jìn),線路正線全長(zhǎng)45. 409 km 。除胡家園車輛場(chǎng)附近一段線路為地面線外,全線大部分為高架,正線橋梁全長(zhǎng)39. 7 km 。全線采用無縫線路設(shè)計(jì),除胡家園車輛場(chǎng)附近2 座大橋?yàn)橛胁陿蛎?其余地段均為無碴橋面。
所經(jīng)過地區(qū)地下水位埋深較淺,沿線分布了較多的粉砂、細(xì)砂、粉土,均為地震可液化層,局部地段具有地震可液化性。在沿線地勢(shì)低洼的平原區(qū),新近沉積層、沖積層、海積層、湖積層、湖沼堆積層中,廣泛沉積有6. 0～14. 0 m 厚的軟土,該軟土物理力學(xué)性質(zhì)很差。地震基本烈度為Ⅶ 度,屬高烈度地震區(qū)。沿線路網(wǎng)發(fā)達(dá),所跨越的城市道路、公路及鐵路較多,地下管線密布,在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮既有及規(guī)劃道路和地下管線的影響。本線所跨溝渠較少而且溝渠均不大,故基本為以橋代路的旱橋。
由于津?yàn)I輕軌工程橋梁占線下工程的比重極大, 控制總工期投資也大,所以橋梁設(shè)計(jì)對(duì)本項(xiàng)目顯得尤為重要。除了考慮橋梁的設(shè)計(jì)要滿足使用功能的要求外,還需要考慮無縫線路、無碴橋面對(duì)橋梁的要求,橋梁對(duì)環(huán)境的影響,施工對(duì)橋下道路的干擾,景觀要求, 施工快速方便等諸多因素。因此,橋梁結(jié)構(gòu)型式的選擇至關(guān)重要。
2 橋梁結(jié)構(gòu)型式選擇須遵循的原則
(1) 橋梁設(shè)計(jì)必須符合安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則。
(2) 橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)構(gòu)造簡(jiǎn)單,力求標(biāo)準(zhǔn)化,便于施工架設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修。
(3) 橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性;作為永久性建筑物,要有良好的耐久性。
(4) 橋梁跨徑應(yīng)根據(jù)城市的景觀,經(jīng)濟(jì)、方便施工等因素進(jìn)行優(yōu)化比選, 一般區(qū)間采用經(jīng)濟(jì)跨徑20 ～ 35 m 為宜,特殊地段根據(jù)實(shí)際情況確定。
(5) 由于采用無碴軌道,且沿線多為軟土地基,因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格控制橋梁徐變及基礎(chǔ)沉降,以滿足鋪設(shè)無縫線路、設(shè)置無碴軌道的要求。
(6) 高架橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)滿足限界、抗震、防迷流、環(huán)保、施工工藝等方面的要求。
(7) 跨越斜交道路及河流時(shí),橋梁結(jié)構(gòu)宜按正交設(shè)計(jì)。
(8) 橋梁設(shè)計(jì)要充分考慮地面或地下已有或規(guī)劃中的建筑物,盡量避免或減少對(duì)建筑物的不利影響。
(9) 高架橋梁除滿足行車功能的要求外,尚需考慮設(shè)置維修通道(兼作緊急疏散通道) 、電力及通訊等管線的支撐設(shè)備和防止列車脫軌落梁的設(shè)備。
(10) 高架橋梁梁式、墩型的選擇要遵循結(jié)構(gòu)受力合理、外形美觀、梁墩配合協(xié)調(diào)、與周圍環(huán)境諧調(diào)的原則。
高架橋梁形式的選擇,考慮在滿足使用功能的前提下,力求經(jīng)濟(jì)、美觀、方便施工,對(duì)常用跨度的橋梁提出以下幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行綜合比選。
(1) 單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁(圖1)
圖1 單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁截面(單位:cm)
箱梁是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的高架橋結(jié)構(gòu)形式之一,它具有閉合薄壁截面、抗扭剛度大、整體受力性能好、外觀簡(jiǎn)潔、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。箱梁截面剛度大,徐變上拱小,對(duì)于輕軌無碴軌道來說,是十分有利的。一般采用滿堂支架就地澆筑施工或滑移模架施工。可采用簡(jiǎn)支或連續(xù)結(jié)構(gòu),連續(xù)結(jié)構(gòu)克服了簡(jiǎn)支梁接縫多的缺點(diǎn),有利于改善行車條件。簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)對(duì)控制沉降的要求相對(duì)容易滿足,施工工藝簡(jiǎn)單,施工周期短。(2) 單箱雙室鋼筋混凝土箱梁(圖2)
圖2 單箱雙室鋼筋混凝土箱梁截面(單位:cm)
該箱梁除本身具有箱梁的一般特點(diǎn)外,還具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),在區(qū)間曲線段、折返線及渡線段處使用更為靈活,對(duì)于斜彎橋尤為有利。在小于20 m 的小跨度橋梁結(jié)構(gòu)中,鋼筋混凝土梁有其優(yōu)越性,施工工藝簡(jiǎn)單, 梁部施工周期短,混凝土收縮徐變影響小;缺點(diǎn)是整體受力性能和結(jié)構(gòu)的耐久性不如預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。(3) 預(yù)應(yīng)力混凝土雙箱單室組合箱梁(圖3)
圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土雙箱單室組合箱梁端截面(單位:cm)
高架區(qū)間采用2 片預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁,安裝就位后,其上現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板,形成組合箱梁;也可在順橋向?qū)⑾淞哼B為整體,形成連續(xù)結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)為箱梁在預(yù)制廠內(nèi)預(yù)制,25 m 跨,梁高為1. 5 m , 單片箱梁自重約90 t , 可用架橋機(jī)或大型汽車吊吊裝,架橋速度快,對(duì)城市交通和環(huán)境影響小。整個(gè)上部結(jié)構(gòu)抗扭剛度較大,整體受力性能較好; 缺點(diǎn)是預(yù)制箱梁較重,對(duì)吊裝和運(yùn)梁設(shè)備要求高。其后期徐變上拱相對(duì)較大, 橋面整體施加預(yù)應(yīng)力效果不均,預(yù)制部分偏大。架梁后,現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土量較大。(4) 鋼箱混凝土結(jié)合梁(圖4)
圖4 鋼箱混凝土結(jié)合梁截面(單位:cm)
該橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、流暢,由于采用了鋼結(jié)構(gòu),減少了橋梁恒載,可使橋墩比較輕盈。該梁型的受力特點(diǎn)為混凝土受壓、鋼材受拉,充分發(fā)揮了各自材料的特性,增加了梁的承載能力。橋梁自重較小,變形、振動(dòng)等相對(duì)較大,對(duì)抗震較為有利。混凝土收縮徐變影響小。施工中可利用鋼梁作為模板灌筑橋面混凝土,無需設(shè)置支架,施工簡(jiǎn)單、周期短,對(duì)跨越較為繁忙的道路尤為適用;其缺點(diǎn)為,相對(duì)造價(jià)較高且噪聲較大。(5) 預(yù)應(yīng)力混凝土雙肋板梁(圖5)
圖5 雙肋板梁端截面(單位:cm)
采用2 片預(yù)制簡(jiǎn)支肋,安裝就位后,其上現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板,形成混凝土肋板梁。肋板梁屬裝配式截面,抗彎抗剪性能好,其特點(diǎn)是外形簡(jiǎn)單,可在工廠或就地預(yù)制施工。橋梁上部結(jié)構(gòu)由2 片肋板梁組成, 25 m 跨,梁重約90 t , 也可采用架橋機(jī)或大型汽車吊吊裝。其抗扭和減震減噪性能較箱梁略差。后期徐變上拱較大。同樣,存在預(yù)制箱梁較重、吊裝和運(yùn)梁設(shè)備要求高和橋面整體施加預(yù)應(yīng)力效果不均、預(yù)制部分偏大的缺點(diǎn)。架梁后,現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土量較大。(6) 鋼管混凝土結(jié)合梁(圖6)
圖6 鋼管混凝土結(jié)合梁端截面(單位:cm)
由于采用了填充混凝土的鋼管截面,充分利用了鋼管和混凝土的材料特性,混凝土限制了鋼材的局部 壓屈,鋼管的約束增強(qiáng)了混凝土的抗壓能力,鋼管混凝 土結(jié)合梁具有很高的強(qiáng)度和延性。其構(gòu)造為在支點(diǎn)處鋼管內(nèi)填充混凝土,而在梁跨中部位則填充充氣砂漿(輕型混凝土),有效減輕梁體自重。鋼筋混凝土板和梁體在正彎矩區(qū)是作為結(jié)合構(gòu)件共同受力的,混凝土收縮徐變影響小。該梁型可以減少車輛產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)程度,施工工藝簡(jiǎn)單,架設(shè)方便;其缺點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較高。(7) 小跨度鋼筋混凝土連續(xù)剛架
小跨度連續(xù)剛架是國(guó)外高速鐵路積極推廣應(yīng)用的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式,在日本新干線上應(yīng)用廣泛。其特點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單,全部為就地澆筑;缺點(diǎn)是施工要求對(duì)地基作不同的處理,造價(jià)因此而提升,景觀效果稍差,施工對(duì)環(huán)境的影響大。另外,連續(xù)梁與簡(jiǎn)支梁比較,連續(xù)梁由于減少了梁縫個(gè)數(shù),減小了梁的豎向撓度,提高了軌道的平順性, 能減小車輛對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊作用。一聯(lián)梁整體受力,動(dòng)力性能、行車平穩(wěn)性好;連續(xù)梁還大量減少了錨具的使用,錨具的費(fèi)用減少很多;減少了張拉作業(yè)面,簡(jiǎn)化了施工;一次連續(xù)施工的梁段長(zhǎng),能有效加快施工進(jìn)度; 減少了梁縫,景觀上也有所改善。但連續(xù)梁為超靜定結(jié)構(gòu),對(duì)地基的沉降很敏感,需對(duì)橋墩的不均勻沉降進(jìn)行嚴(yán)格的控制。津?yàn)I地區(qū)以厚層的軟土、松軟土為主, 為控制沉降,要求增加的樁長(zhǎng)較多。由于連續(xù)梁一聯(lián)梁長(zhǎng),固定墩承受的制動(dòng)力是簡(jiǎn)支梁的幾倍,無縫線路長(zhǎng)鋼軌縱向力和斷軌力也成倍增加,水平力增加較多, 使得固定墩的尺寸和配設(shè)的樁基礎(chǔ)加大。考慮景觀要求,固定墩的尺寸和非固定墩的尺寸進(jìn)行了統(tǒng)一。總的說來,采用連續(xù)梁要較采用簡(jiǎn)支梁增加工程投資。根據(jù)經(jīng)濟(jì)分析,在本工程上,常用跨度橋梁不同形式的連續(xù)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)要增加工程投資3 %～5 % 。
連續(xù)梁的聯(lián)長(zhǎng),受無縫線路的鋪設(shè)條件和固定墩的設(shè)計(jì)控制。為避免長(zhǎng)鋼軌的附加應(yīng)力過大,避免大量設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,連續(xù)梁的聯(lián)長(zhǎng)需要控制。由于長(zhǎng)鋼軌作用力和斷軌力的影響,如連續(xù)梁的聯(lián)長(zhǎng)太長(zhǎng),固定墩的尺寸和樁基礎(chǔ)大大加大,增加工程投資, 還影響橋梁的美觀。現(xiàn)澆施工時(shí),一次澆筑混凝土量太大,會(huì)給施工帶來很大的難度,施工質(zhì)量不易保證。設(shè)計(jì)中,對(duì)以上各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的經(jīng)濟(jì)比較, 結(jié)合經(jīng)濟(jì)跨度和基礎(chǔ)類型的選擇。
4 結(jié)論
(1) 鋼管混凝土結(jié)合梁和鋼箱混凝土結(jié)合梁,雖然 施工最為方便,施工對(duì)環(huán)境的干擾最小,但造價(jià)太高, 故只考慮在現(xiàn)場(chǎng)條件受限制時(shí)使用。如跨越鐵路、繁忙的交通干道,一般不允許進(jìn)行現(xiàn)澆作業(yè);采用結(jié)合梁吊裝施工或拖拉法施工,能夠最大限度地減少施工對(duì)鐵路、道路正常運(yùn)營(yíng)的干擾。
(2) 預(yù)應(yīng)力單箱組合箱梁、雙肋板梁均是比較好的可供選擇的梁型。采用集中預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè)施工,速度最快,能夠最大程度保證施工質(zhì)量,景觀也較好,在本工程上使用造價(jià)適中。但由于本線基本沿津塘公路行進(jìn),采用預(yù)應(yīng)力單箱組合箱梁和雙肋板梁,預(yù)制梁的運(yùn)輸會(huì)造成津塘公路的路面損壞,也會(huì)對(duì)繁忙的公路交通造成很大的影響,故予以放棄。
(3) 預(yù)應(yīng)力單箱單室箱梁和20 m 跨度的鋼筋混凝土箱梁為以上比較中最為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)型式,20 m 左右非標(biāo)準(zhǔn)跨度的鋼筋混凝土箱梁在小半徑曲線上和遇控制工點(diǎn)調(diào)整墩位最為靈活。采用現(xiàn)澆施工不需大型施工設(shè)備、不受場(chǎng)地的限制、對(duì)津塘公路的影響小,也能使得梁體平、立面都能做成圓順的曲線,配合梁底和橋墩的流線形,景觀效果很好。故本工程推薦預(yù)應(yīng)力單箱單室箱梁為主要梁型,輔以20 m 跨度的鋼筋混凝土箱梁。為提高線路的平順性,改善行車條件,改善景觀,采用連續(xù)梁。
(4)25 m 為本工程橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的經(jīng)濟(jì)跨度。通過計(jì)算分析和充分的調(diào)研,綜合考慮,在本工程上采用3 25 m 的聯(lián)長(zhǎng)較為適宜。推薦全線橋梁基本跨度為3 25 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,常用跨度橋梁基礎(chǔ)采用直徑0. 8 m 的鉆孔樁較為經(jīng)濟(jì)。
原作者：李小江
