摘 要 南京地鐵南北線一期工程高架區段首次在國內采用了預應力混凝土連續梁的型式。本文介紹了橋梁設計情況并討論了縱向水平力的組合及對墩臺設計的影響, 給出了結構計算結果。
南京地鐵南北線一期工程南起小行,北至邁皋橋,全長16. 9 km ,共13 座車站,目前已開始修建, 預計2005 年建成通車。該線安德門站至外秦淮河區段、東井亭至邁皋區段以及小行車站與國鐵接軌區段,均為高架橋結構,總計長度4. 249 km。高架橋標準段采用預應力混凝土連續梁結構,滿足了列車在高架結構上高速、安全的運營需要,以及對結構強度、剛度和穩定性等方面的要求。
1 高架區間自然地理狀況及設計條件高架區間的走向基本沿既有或規劃城市道路中央分隔帶行進,在道路交叉口以大跨結構跨過。全線橋高5～12 m。根據線路需要,橋梁分為單線、雙線及三線。
經工程勘察揭示,沿線路走向的淺部土層工程地質變化較大,表層為松散的雜填土,以下依次為粘土、素填土、粉質粘土、粉土、卵礫石及風化程度不一的砂質泥巖等。基巖埋深由南向北逐漸較深, 為9～40 m 不等。主要持力層的卵礫石承載力為250～350 kPa ,極限側阻力為70～80 kPa ,強風化及微風化砂質泥石巖承載力為400～1 500 kPa 。線路所在地區的地震強度為7 度。南京地區氣候帶屬北亞熱濕潤氣候,四季分明,年平均氣溫15. 3 ℃,最熱日平均氣溫27. 3 ℃, 最高氣溫達43 ℃,最冷日平均氣溫1. 8 ℃,最低氣溫達- 9. 3 ℃。
2 高架橋梁結構的選型
城市軌道交通高架橋梁的選型,首先應滿足列車安全行駛的功能要求;其次要考慮結構合理、經濟實用,并結合城市規劃、道路交通、周圍環境、市政管線、施工方法等一系列因素,選擇合理的橋梁結構。
2. 1 孔跨確定
橋梁孔跨的選擇應根據結構要求、城市景觀、施工技術和美學等條件來綜合考慮。鑒于高架結構平均高度為8 m 左右,因此跨度采用20～30 m 為宜。經比較,最后選擇標準跨度為25 m。另外, 為了與并行的既有城市道路高架橋孔跨協調一致, 局部地段采用20 m 跨度。
2. 2 結構形式
橋梁結構形式的選擇,與結構承受車輛荷載的內力、變形,特別是無縫鋼軌與梁的相互作用內力分析有著極其重要的關系。目前我國城市軌道交通高架橋結構一般考慮簡支梁和連續梁形式。而前者在上海軌道交通明珠線高架橋的運用取得了成功的經驗。簡支梁的受力明確,受無縫鋼軌因溫度變化產生的附加力、特殊力的影響小,設計、施工易標準化、簡單化;但其梁高較大,景觀稍差,行車條件也不如連續梁。連續梁結構與同等跨度的簡支梁相比,可以降低梁高,節省工程數量,有利于爭取橋下凈空,并改善景觀;其結構剛度大,具有良好的動力特性以及減震降噪作用,使行車平穩、舒適, 后期的維修養護工作也較小。從城市美學效果來看,連續梁造型輕巧、平整、線條流暢,將給城市增色不少。但連續梁對基礎沉降要求較嚴,特別是由于聯長較大,橋上無縫鋼軌因溫度變化而產生的水平力很大,使得梁體與墩臺之間的受力十分復雜, 加大了設計難度。
根據南京地鐵工程地質條件較好的情況,經綜合考慮,采用連續梁結構作為高架區間的標準型式,其標準跨度為3 ×25 m 及4 ×20 m。
2. 3 梁部截面形式
在設計比選中,分別考慮了箱形梁、組合箱梁、T形梁、空心板梁等可采用的梁型。其中T 形梁和組合箱梁最為經濟,其預制、運輸、架設方便,但美觀較差,并且徐變變形大,對于無縫線路整體道床軌道結構形式來說,存在著后期維修養護工作量大的缺點。槽形梁造型輕巧美觀,但需要較大的技術儲備才能實現。相比之下,箱形梁抗扭剛度大,整體受力和動力穩定性能好,外觀簡潔,適應性強,在直線、曲線、折返線及過渡線等區間段均可采用,且施工技術成熟,造價適中。因此,結合工程沿線的環境特點及南京的施工條件,選擇了單箱、單室等截面斜腹式箱梁。箱形截面的主要尺寸見表1 ,其外型見圖1。
表1 箱形截面主要尺寸表cm
項目雙線單線25 m跨度梁高140 140 20 m跨度梁高120 120 頂板寬900 520 底板寬440 220 頂板厚18 18 底板厚20～30 20～30 腹板厚30～40 25～35
圖1 高架橋梁橫斷面圖
2. 4 墩臺及基礎
高架橋墩柱的型式與梁高、墩高、梁寬、橋下道路、規劃用地、作用荷載及地震烈度等因素有關。南京地鐵高架橋結構一般位于城市道路中央分隔帶上,因此在滿足結構安全的前提下,盡量采用輕巧、線條流暢的結構,增加橋下行車和行人視覺的通透感非常重要。經與城市規劃部門等單位的多次研究比選,參考國外有關實例,最終確定全線采用獨柱T 形墩。它具有滿足結構受力要求、占地面積小、輕巧美觀、線條流暢的優點。其單線墩身截面尺寸為1. 5 m ×1. 5 m ,雙線為1. 5 m ×2. 0 m。
根據地鐵線路經過區間的工程地質中基巖埋深變化較大的特點,以及橋上整體道床無縫線路對橋墩的水平位移和沉降量控制非常嚴格的要求,高架橋全線采用挖孔樁和鉆孔樁兩種基礎形式。樁基穿透強風化及中風化巖層,以微風化粉砂質泥巖為樁基持力層。挖孔樁具有施工方便、機具較少、造價低、環境污染小等優點。考慮到施工的可行性,樁長20 m 以內采用挖孔樁,樁徑1. 3 m;樁長20 m 以上者采用鉆孔樁,樁徑1. 0 m。
3 荷載及結構受力計算
3. 1 主力
主力荷載為恒載、車輛活載、列車離心力、橋上擋板與接觸網荷載、基礎不均勻沉降、鋼軌伸縮力及撓曲力等。
其中: 車輛荷載采用動- 拖單元車,按6 節車輛編組,車輛軸重( P) 為160 kN。相鄰基礎的不均勻沉降差按1. 0 cm 考慮。
鋼軌伸縮力系由梁軌在溫度變化時,產生不同的位移變形而產生。鋼軌固定區的伸縮力較小,而在伸縮區內的數值很大。經計算,單根軌伸縮力最大值達到280 kN ,成為橋墩設計的主要控制因素。撓曲力由梁體受載撓曲時梁軌發生相對變形而引起,單根軌最大計算數值為50 kN。
3. 2 附加力
附加力主要包括制動力(牽引力) 、列車橫向搖擺力、風力、溫度力等。其中制動力(或牽引力) 按豎向凈活載的15 %計算,但當與離心力或沖擊力同時計算時按豎向靜活載的10 %計算。箱梁溫度力( T0 ) 按溫差單向及雙向組合計算。單向時T0 = 20 ℃;雙向組合時T0 = 16 ℃。箱梁降溫溫差按- 10 ℃計。
3. 3 特殊荷載
本高架區間的特殊荷載主要為地面汽車撞擊
