城市軌道交通高架工程設(shè)計(jì)研究
摘 要:對(duì)城市軌道交通高架工程進(jìn)行綜合性的評(píng)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(lái),城市軌道交通已經(jīng)在我國(guó)各大城市迅速崛起,發(fā)展勢(shì)頭有增無(wú)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(shì),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(huì)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(xiàn)城市道路交通規(guī)劃,既有道路交通現(xiàn)狀,地下管線(xiàn)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(duì)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(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性的要求,并與周?chē)坝^(guān)相協(xié)調(diào),既要安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,又要美觀(guān)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(mǎn)足車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)行車(chē)路線(xiàn)和行車(chē)視距的要求,保證車(chē)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)上雙線(xiàn)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(duì)既有交通的通行能力產(chǎn)生過(guò)大干擾。
(8) 基礎(chǔ)施工應(yīng)考慮地下管線(xiàn)對(duì)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(xiàn)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(xiàn)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(guān)等因素的影響,區(qū)間橋梁跨度一般采用20～30 m 。由于長(zhǎng)鋼軌作用力對(duì)橋墩設(shè)計(jì)影響較大,連續(xù)箱梁的聯(lián)長(zhǎng)一般控制在90 m 以?xún)?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(chǎng)預(yù)制,具有施工速度快、對(duì)既有道路交通干擾少和工程造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn),但其橫向抗扭剛度小,外觀(guān)也不如箱形梁美觀(guān),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(zhǎng)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(guān);除此之外,槽型梁施工難度大、周期長(zhǎng), 工程造價(jià)高,目前國(guó)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(guān)、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(xiàn)路沿城市道路中心走行時(shí),橋式的選擇不僅要滿(mǎn)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(duì)與其相交道路上直行車(chē)輛的行駛較為有利,對(duì)與其并行道路上的車(chē)輛及轉(zhuǎn)彎車(chē)輛的行駛均會(huì)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(guò)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(mǎn)足道路限界要求,橋墩橫向?qū)挾炔怀^(guò)215 m , 橋臺(tái)采用混凝土輕型橋臺(tái)。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(xiàn)條簡(jiǎn)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(xiàn)與地面道路中心線(xiàn)偏距較小時(shí),可采用不對(duì)稱(chēng)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(xiàn)位),也可選用造型新穎美觀(guān)的矩形板式墩或雙柱墩。
(3) 線(xiàn)路轉(zhuǎn)向處的橋梁結(jié)構(gòu)
當(dāng)線(xiàn)路轉(zhuǎn)向引起城軌交通中心線(xiàn)與既有道路中心線(xiàn)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?xún)?nèi)的鋼箱連續(xù)結(jié)合梁或跨度為16 m 以?xún)?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(guān),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(chē)站
隨著高架橋梁的建設(shè),高架車(chē)站作為一種新型的建筑形式應(yīng)運(yùn)而生,高架車(chē)站有兩種結(jié)構(gòu)體系可供選擇,即“站橋合一”和“站橋分開(kāi)”。
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(chē)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(chē)站進(jìn)行行車(chē)組織和管理,方便乘客上下車(chē)。由于站廳及車(chē)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(lái)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(chē)站高度和節(jié)省工程投資,但小跨度橋梁對(duì)車(chē)站建筑布局不利,橋下橋墩間隔較密,景觀(guān)效果稍差。
道路兩側(cè)設(shè)站方案采用“ 站橋分開(kāi)”的方式,站廳及車(chē)站辦公管理用房設(shè)在道路兩側(cè),乘客通過(guò)人行通道進(jìn)入站臺(tái)。“站橋分開(kāi)”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(zhǎng)鋼軌縱向力計(jì)算研究
橋上無(wú)縫線(xiàn)路長(zhǎng)鋼軌縱向力包括撓曲力、伸縮力及斷軌力。連續(xù)梁橋長(zhǎng)鋼軌縱向力與橋上無(wú)縫線(xiàn)路的布設(shè)、線(xiàn)路縱向阻力、梁軌相對(duì)位移量以及橋梁結(jié)構(gòu)型式、墩臺(tái)頂縱向水平剛度、支座的布置方式等有關(guān),目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟的計(jì)算理論,應(yīng)通過(guò)專(zhuān)題研究解決城市軌道交通高架橋上無(wú)縫線(xiàn)路長(zhǎng)鋼軌縱向力的計(jì)算辦法。
5 無(wú)碴橋面橋梁混凝土徐變觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)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(guān)測(cè)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(duì)橋梁預(yù)拱度的設(shè)置、確定橋梁上的承軌臺(tái)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(chē)輛設(shè)計(jì)荷載、設(shè)計(jì)行車(chē)速度與國(guó)鐵不同,使用要求與國(guó)鐵也不一樣,且采用無(wú)碴軌道,因而一些設(shè)計(jì)參數(shù)如列
