城市軌道交通高架工程設(shè)計(jì)研究
摘 要:對城市軌道交通高架工程進(jìn)行綜合性的評述,展望城市軌道交通的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:城市軌道交通; 高架工程; 研究
1 概述
近年來,城市軌道交通已經(jīng)在我國各大城市迅速崛起,發(fā)展勢頭有增無減。與其他交通工具相比,城市軌道交通具有“舒適、快捷、便利以及有利于節(jié)能和環(huán)保”等顯著優(yōu)勢,而其中的高架橋梁工程造價(jià)一般為013 億元/ km～014 億元/ km , 僅為地鐵工程造價(jià)的1/ 5 ～1/ 4 。高架工程與地下工程相比具有工程造價(jià)低、施工便利且周期短等優(yōu)點(diǎn),在跨越既有地面交叉路口時(shí)具有不可替代的作用。因此,充分利用地上和地下空間、合理使用有限的資金和土地資源,會使城市軌道交通蘊(yùn)藏巨大的發(fā)展?jié)摿蜕鷻C(jī)。
2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的主要因素
(1) 應(yīng)根據(jù)沿線城市道路交通規(guī)劃,既有道路交通現(xiàn)狀,地下管線和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等狀況合理選擇橋式、孔跨,橋梁施工方案應(yīng)合理可行,并盡量減少對既有道路交通的影響。
(2) 為了盡量少占用土地,新建軌道交通工程應(yīng)盡量沿既有地面道路一側(cè)或中心走行,可選擇并設(shè)計(jì)高架橋梁合理的橋式方案,跨越平面交叉路口、地面道路和建筑物等。
(3) 高架橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性的要求,并與周圍景觀相協(xié)調(diào),既要安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,又要美觀新穎。
(4) 跨平面交叉路口的橋梁應(yīng)根據(jù)相交道路的主次、道路橫斷面形式、交通流向和流量等條件,確定跨越交叉路口合理的橋式,橋梁孔跨布置應(yīng)便于交叉路口的交通組織和交通管理,滿足車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)行車路線和行車視距的要求,保證車輛在交叉路口安全、順暢地行駛。
(5) 混凝土連續(xù)梁具有工程造價(jià)低、行車技術(shù)條件優(yōu)越、施工方便和減振降噪效果好等優(yōu)點(diǎn),一般橋梁應(yīng)優(yōu)先采用。
(6) 軌道交通線路沿城市主干道或次干道道路中心走行時(shí),一般在中央分隔帶上布置橋墩,中央分隔帶一般寬310 m 左右。根據(jù)《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GJJ 37 90) ,安全帶寬度應(yīng)≥0125 m 。直線上雙線橋面寬一般在815～910 m , 主干道梁下凈高不小于510 m , 次干道梁下凈高不小于415 m 。
(7) 施工組織設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免梁及上部結(jié)構(gòu)的施工對既有交通的通行能力產(chǎn)生過大干擾。
(8) 基礎(chǔ)施工應(yīng)考慮地下管線對樁基礎(chǔ)的影響。
3 高架工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究
(1) 橋梁的孔跨形式
一般區(qū)間直線段橋梁宜采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,曲線段及橋面變寬段橋梁采用單箱雙室鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、美觀等因素的影響,區(qū)間橋梁跨度一般采用20～30 m 。由于長鋼軌作用力對橋墩設(shè)計(jì)影響較大,連續(xù)箱梁的聯(lián)長一般控制在90 m 以內(nèi)。區(qū)間孔跨宜等跨設(shè)置;跨平面交叉路口為提高跨越能力,橋梁孔跨可選擇(25 + 30 + 25) m、(25 + 2 ×30 + 25) m、(25 + 35 + 25) m 及(25 + 2 ×35 + 25) m 等幾種結(jié)構(gòu)形式。
一般區(qū)間梁部結(jié)構(gòu)除混凝土連續(xù)箱梁外,還可采用預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁、槽型梁及雙箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土梁。單片T 形梁可以工廠預(yù)制,具有施工速度快、對既有道路交通干擾少和工程造價(jià)相對較低等優(yōu)點(diǎn),但其橫向抗扭剛度小,外觀也不如箱形梁美觀,因此,城市橋梁中已經(jīng)很少采用。槽型梁為下承式橋梁,具有建筑結(jié)構(gòu)高度低、兩側(cè)腹板可兼作聲屏障等優(yōu)點(diǎn),但其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,由于支座須放置在腹板下,橋墩帽梁長度要比箱梁橋墩帽梁大得多,橋墩結(jié)構(gòu)不僅受力不利, 而且也不美觀;除此之外,槽型梁施工難度大、周期長, 工程造價(jià)高,目前國內(nèi)公路、鐵路以及已經(jīng)建成或正在建設(shè)的城市軌道交通橋梁很少采用該種形式。
混凝土箱形梁具有外形美觀、抗扭剛度大以及整體性能好等優(yōu)點(diǎn), 且具有成熟的施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn), 所以一般區(qū)間及跨平面交叉路口的橋梁推薦采用混凝土箱梁。軌道交通線路沿城市道路中心走行時(shí),橋式的選擇不僅要滿足平面交叉路口的交通要求,還要保證與其并行的道路交通順暢,并且應(yīng)有利于降低橋梁工程造價(jià)。大跨度橋梁橋墩截面尺寸較大,僅對與其相交道路上直行車輛的行駛較為有利,對與其并行道路上的車輛及轉(zhuǎn)彎車輛的行駛均會產(chǎn)生不同程度的干擾, 橋梁工程造價(jià)也較高,因此,跨平面交叉路口的橋梁跨度不宜過大。連續(xù)梁中孔采用30 、35 m 的跨度即可一跨跨越25 m 和30 m 寬支路及次干道的十字交叉路口,道路中心可不設(shè)置橋墩;跨越30 m 寬次干道X 形交叉路口及40 m 以上寬主干道的交叉路口,道路中心設(shè)置橋墩,2 孔跨越既有道路。
(2) 下部結(jié)構(gòu)形式
橋墩采用矩形獨(dú)柱墩,為滿足道路限界要求,橋墩橫向?qū)挾炔怀^215 m , 橋臺采用混凝土輕型橋臺。根據(jù)地質(zhì)情況,基礎(chǔ)一般采用樁基礎(chǔ)和明挖基礎(chǔ);采用鉆孔樁時(shí)直徑選擇80～100 cm 為宜。
橋墩可采用T 形獨(dú)柱墩、板式墩、雙柱墩等。T 形獨(dú)柱墩線條簡潔、明快,橫向?qū)挾刃?受力性能好,應(yīng)優(yōu)先采用;當(dāng)軌道交通中心線與地面道路中心線偏距較小時(shí),可采用不對稱T 形墩,偏距較大時(shí)應(yīng)采用框架墩;當(dāng)橋墩橫向?qū)挾炔皇芟拗茣r(shí)(路側(cè)線位),也可選用造型新穎美觀的矩形板式墩或雙柱墩。
(3) 線路轉(zhuǎn)向處的橋梁結(jié)構(gòu)
當(dāng)線路轉(zhuǎn)向引起城軌交通中心線與既有道路中心線偏離,橋梁下部結(jié)構(gòu)不能采用獨(dú)柱墩時(shí),采用框架墩可減小橋梁跨度,使工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。梁部宜采用自重較輕、跨度較小的結(jié)構(gòu)形式,框架墩兩柱分別設(shè)于中央帶和人行道上,柱間距一般為14～18 m 。為了提高跨越能力,大柱距框架墩,橫梁可采用鋼箱梁或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式。梁部結(jié)構(gòu)可采用跨度為25 m 以內(nèi)的鋼箱連續(xù)結(jié)合梁或跨度為16 m 以內(nèi)的鋼筋混凝土連續(xù)板梁。鋼箱連續(xù)結(jié)合梁結(jié)構(gòu)自重輕、抗扭剛度大,橋型美觀,可采用的橋梁跨度比混凝土板梁大,能夠減小框架墩個(gè)數(shù),但其造價(jià)及養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用均較鋼筋混凝土連續(xù)板梁高。
(4) 高架車站
隨著高架橋梁的建設(shè),高架車站作為一種新型的建筑形式應(yīng)運(yùn)而生,高架車站有兩種結(jié)構(gòu)體系可供選擇,即“站橋合一”和“站橋分開”。
道路中心設(shè)站方案一般采用“ 站橋合一”的方式, 軌道梁設(shè)置在車站框架結(jié)構(gòu)上,其結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜, 設(shè)計(jì)難度大,但便于車站進(jìn)行行車組織和管理,方便乘客上下車。由于站廳及車站辦公管理用房設(shè)在軌道梁下,需采取有效的減振降噪措施降低噪聲帶來的不利影響。軌道梁宜采用鋼筋混凝土連續(xù)板梁,橋梁跨度一般可采用8～12 m 。小跨度橋梁梁高較小,有利于降低車站高度和節(jié)省工程投資,但小跨度橋梁對車站建筑布局不利,橋下橋墩間隔較密,景觀效果稍差。
道路兩側(cè)設(shè)站方案采用“ 站橋分開”的方式,站廳及車站辦公管理用房設(shè)在道路兩側(cè),乘客通過人行通道進(jìn)入站臺?！罢緲蚍珠_”的結(jié)構(gòu)體系受力明確,站、橋互不影響,但使用功能不好,墩柱較多整體性差。軌道梁采用鋼筋混凝土連續(xù)板梁,橋梁跨度為12～15 m , 下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱墩。
4 橋梁長鋼軌縱向力計(jì)算研究
橋上無縫線路長鋼軌縱向力包括撓曲力、伸縮力及斷軌力。連續(xù)梁橋長鋼軌縱向力與橋上無縫線路的布設(shè)、線路縱向阻力、梁軌相對位移量以及橋梁結(jié)構(gòu)型式、墩臺頂縱向水平剛度、支座的布置方式等有關(guān),目前國內(nèi)外還沒有成熟的計(jì)算理論,應(yīng)通過專題研究解決城市軌道交通高架橋上無縫線路長鋼軌縱向力的計(jì)算辦法。
5 無碴橋面橋梁混凝土徐變觀測試驗(yàn)研究
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)將不可避免的產(chǎn)生不容忽視的徐變變形,有必要安排預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變變形的觀測和試驗(yàn)研究項(xiàng)目。雖然混凝土徐變變形很難準(zhǔn)確計(jì)算,但其發(fā)展規(guī)律是可以把握的,采用徐變的觀測資料可以把握其發(fā)展規(guī)律,從而可以推算出后期的徐變量, 對橋梁預(yù)拱度的設(shè)置、確定橋梁上的承軌臺澆筑時(shí)間和高程等有其重要的指導(dǎo)意義。
6 展望
城市軌道交通是一項(xiàng)新型的綜合性工程,由于車輛設(shè)計(jì)荷載、設(shè)計(jì)行車速度與國鐵不同,使用要求與國鐵也不一樣,且采用無碴軌道,因而一些設(shè)計(jì)參數(shù)如列
