城市轨道交通高架桥选型的探讨

伴随着我国城市化进程的迅速发展, 和中央开发大西北战略的确定, 城市交通系统等基础设施的建设已成为优先实施的基本任务之一。城市交通系统中, 除公共汽、电车外, 主要有地铁和轻轨系统。我国许多大城市, 除公共汽车、电车系统外, 地铁和轻轨系统为数不多, 亟待建设。
人们通常主要根据客运量和建设资金来选择修地铁或轻轨, 但由于地铁建于地下造价实在太高, 现在, 人们更倾向于将尽可能多的地铁建于地面上。修于地面上的地铁同轻轨一样, 土建结构大部分为高架桥。高架桥的选型和设计, 是当前桥梁工程师进行研究和实践的主要任务之一。
1　影响高架桥选型的主要因素
高架桥选型主要包括梁部和墩柱的选型, 基础虽受梁部和墩柱型式的一定影响, 但主要还是由地质情况确定, 比较单一; 选型时主要考虑景观、经济、功能、施工、占地和工期等几方面。
1. 1　高架桥应与周围城市景观保持一致
鉴于高架桥作为城市的永久建筑, 人们期望其会成为城市的一道美丽的景观。但由于高架桥长、窄、平的特点, 要想达到此目标实际上非常困难, 而且将城市的着眼点过多吸引在高架桥上也并不可取。笔者以为高架桥在造型上应以简洁为基本原则, 采用融和法和消去法, 使之从属于城市环境。如上海, 道路用地范围窄, 两侧高楼林立, 宜使桥梁造型柔和, 色彩暗淡, 弱化视角效果; 如西安和兰州, 道路两侧视野比较开阔, 宜采用有力度感和色彩鲜艳一些的造型, 引起人们的注意。
1. 2　高架桥应与当地人文景观相互和谐
高架桥的造型, 除了考虑与周围环境景观的一致外, 还应重视当地人文景观的和谐。由于我国幅员辽阔, 历史悠久, 每个城市都积累了深厚的、富有地域性的人文文化特征, 在高架桥的造型上选型上, 必须充分注意这种差别, 比如, 对江南城市和西北城市的造型就不宜采用同一型式。对于江南城市, 如上海, 可采用斜腹板箱梁, 配以独柱矩墩(采用大圆弧倒角) 或双柱圆墩, 以体现江南的轻巧柔和; 而对于西北名城西安或兰州, 则可采用直腹板箱梁, 配以独柱矩墩(不倒角), 以体现西北豪爽刚直的文化氛围, 如图1:
1. 3　高架桥在经济上应节约高效
经济指标是确定高架桥型式的主要因素, 它通常最主要是在纵向上限制桥梁跨长, 这也是桥梁在美观上受到限制的一个主要因素, 因为大跨度更易体现桥梁的轻盈。经济指标一般具体体现在以下几方面:
(1) 经济跨度: 经济跨度一般与地质情况和规模化生产有关。如采用箱梁梁型、支架现浇法施工, 对于上海, 经济跨度在30 m 左右; 而西安则为25 m 左右。
(2) 结构体系: 结合城市轨道长的特点, 采用连续结构要比简支结构经济。如(3×30) m 连续箱梁结构(3) 梁型: 通常梁型越美观, 造价也越高。如弧形外要比3 孔30 m 简支梁结构便宜约5～ 10% 。当然, 连腹板箱梁要比直斜腹板的造价高。续结构要比简支结构在设计和施工上都要复杂一些。

a 上海市高架桥造型参考方案　　　　　　　　b 西安市高架桥造型参考方案图1　高架桥造型参考方案
1. 4　高架桥施工应力求先进、快速
现在, 我国高架桥通常采用现浇法施工, 比较落后。这主要是由于我国当前仍存在许多诸如运输、架设设备方面的问题, 无法采用预制吊装法施工。比如, 对于L p= 30m 的简支箱梁, 双线每孔重约320 t, 单线时约150 t, 我国现阶段均无适合的运输、吊装设备。
但由于无碴轨道结构对桥梁变形的要求, 为减少梁部结构的收缩徐变变形, 一般控制承轨台施工与桥梁施工的时间间隔不小于一定数值, 如L p= 30m 简支梁, 一般为90 天。为便于合理安全施工顺序以缩短工期、工厂规模预制以降低造价和减少施工期间对周围居民噪音影响等, 宜采用先进的预制吊装法施工。随着我国时速达250 km /h 的秦沈客运专线的启动, 铁路系统已在1999 年研究成功了M Z32 移动模架造桥机、3BM 2600 型架桥机和420 t 胎式箱梁运输车等专用设备以及相关施工工艺和方法, 笔者相信, 随着城市轨道交通的发展, 这些设备和方法也会转向高架桥的建筑方面。
2　高架桥梁部结构型
理论上可采用和国外已采用的梁部结构型式有: 槽形梁、下承式脊梁、T 梁、板梁和箱梁等, 如图221～ 225: 1.
2. 1　槽形梁: 桥梁建筑高度低, 便于城市道路间立体交叉, 压低线路标高, 节约总投资; 且两侧主梁可兼起防噪屏作用, 景观程度很好。但需布置多向预应力钢筋。施工复杂, 进度慢, 造价较高, 且设计、施工经验少。跨度L p 为30 m 的简支双线梁, 一般每m2 桥梁面积主要工程数量为: 混凝土, 0199m 3; 预应力钢筋, 56 kg; 钢筋, 27 kg 。
2.2. 2　下承式脊梁: 桥梁建筑高度即为挑臂板的厚度, 不受跨度改变的影响, 为定值, 易于线路的线型布置; 建筑高度低, 便于压低线路标高, 减少工程量; 结构上需要的部分也可兼做它用, 如脊梁、边梁可防噪, 脊梁顶可用做检修通道等; 造型独特, 具现代感; 可采用预制杆件拼装施工, 快速, 干扰少。但在我国无先例, 设计、施工经验少。跨度L p 为30 m 的简支双线梁, 一般每m2 桥梁面积主要工程数量为: 混凝土, 0152m 3; 预应力钢筋, 23 kg; 钢筋, 61 kg 。
2. 3　T 梁: 桥梁建筑高度最高, 每线两片T 梁, 受力清晰, 设计、施工经验相当成熟。但不宜城市道路间立体交叉, 线路标高较高; 一般需要在就近预制, 所需要预制场地在城市内常受到限制; 桥梁底部呈网格状, 美观性最差; 特别是两片T 梁间铰接, 整体受力性差。

图2
1.2. 4　板梁: 桥梁建筑高度较低, 每线采用两片或四片空心板梁, 受力清晰, 设计、施工经验相当成熟。但各片板梁间铰接, 整体受力性差; 经济跨度一般在16～ 20 m, 较小, 景观性差; 梁高较低, 相应刚度较小, 梁部后期收缩徐变较大, 不利于轨道交通线路轨道调高要求; 按常规预制、吊装施工时, 也只能用于20 m 以下的小跨度。
2.2. 5　箱梁: 桥梁建筑高度适中, 工程量较省; 适用性好, 既可作为区间标准地段, 也可用于曲线、变宽、出岔地段; 整体受力性好; 外观线型流畅、美观; 设计、施工程数量为: 混凝土, 0151m 3; 预应力钢筋, 31 kg; 钢筋,经验成熟, 对的传统的现浇法施工积累有丰富的经验。119 kg 。但对长达20～ 30 km 的轻轨线路, 现浇法施工时存在上述几种梁型的特点、适用情况等的比较, 详见下对周围环境干扰多、施工成本高和工期长等缺点。跨度表1:L p 为30 m 的简支双线梁, 一般每m2 桥梁面积主要工
表1　　　梁型的特点、适用情况比较表

备注: 1. 梁高为L p= 30m 时数值, 非极端值
2. 经济跨度除槽形梁和下承式脊梁为根据资料推测而得外, 其余为按桩长在40～ 50 m 和墩高在415～ 515m 分析而得。
　　综上, 笔者推荐高架桥桥梁部采用箱梁型式, 现由如下:
(1) 箱梁的闭合薄壁截面刚度大, 整体受力性能好, 对于斜弯桥尤为有利。箱梁顶、底板具有较大的面积, 可有效地抵抗正负弯矩, 并满足配筋要求。箱梁具有良好的动力性能, 收缩变形数值小。
(2) 箱梁截面外形简洁, 底面平整光洁, 线条流畅, 景观效果优异。
(3) 箱梁既适于中、大跨, 也适于简支和连续结构, 更适于各种地段, 如直线段、曲线段、出岔段和变宽段等, 便于同一条线路上减少桥梁类型。
(4) 箱梁具有相当成熟的设计、施工水平和经验。当前的现浇法施工虽有不足, 但尚可以克服, 如使预应力钢束锚固于梁内而不锚固与梁端, 从而可以同时开始多个工作面施工等, 而不致影响整个工程的进度。
(5) 从可持续发展角度看, 箱梁只要解决了大吨位的运输、吊装设备的研制和相关施工工艺问题, 即可实现工厂化、规模化生产, 经济指标将会大幅下降。
3　高架桥墩柱型式
墩台基础除应有足够的强度和稳定性, 避免在荷载作用下的过大位移外, 其造型应能使上下部结构协调一致, 轻巧美观, 与城市环境和谐、匀称。在墩台选型上, 其一般服从梁部型式, 此外, 也受占地、道路、通视等的限制。通常有:T 形墩、倒T 形墩、Y 形墩、单柱墩、双柱墩等基本型式(见图321～ 325) 及其变型(如图4):
3. 1　T 形墩: 适于板梁、T 梁和槽形梁等梁部为分片结构或梁部支承点相距较远的梁型, 用于箱梁时, 一般为一线一箱的分离式箱梁。由于有托盘, 一般在满足梁部支承需要的前期下, 可以减少墩柱的尺寸, 节约圬工, 减轻墩身重量。主要优点为受力合理, 但上下部过渡有转折, 造型一般。
3. 2　倒T 形墩: 主要适于单箱单室箱梁和脊梁等梁部支承点相距稍远的梁型。特别是对于外腹板微斜的箱梁, 如墩高适宜, 则可使梁的腹板和墩的边线斜度一致, 使上下部浑然一体, 造型美观。但该墩受力上较合理, 材料有浪费, 投资增加; 在墩高相差较大时, 整体造型不易协调。

图3

图4　变形单柱墩
3. 3　Y 形墩: 适于情况同T 形墩, 但较T 形墩材料更省、受力更合理。但由于高架桥墩高一般在515～ 610 m 以下,Y 形墩在外形上显得较滞重。
3. 4　单柱墩: 主要适于单箱单室箱梁和脊梁等梁部支承点相距较近的梁型。特别是对直腹板箱梁, 可使箱梁底宽同墩横向宽度一致, 从而使上下部浑然一体, 显得挺拔有力度, 对墩高的变化适应性极强。受力合理, 材料较节省, 施工方便。
3. 5　双柱墩: 适于各种梁型, 用于多线或出岔地段。承载能力及稳定性较强, 墩可以做得纤细, 材料利用率高。但对桥宽仅810m 左右的高架桥来讲, 造型显得不够简洁。综上, 为与箱梁配合, 笔者推荐采用单柱形墩和变形单柱墩(见图4) 理由如下:
(1) 与箱梁配合, 上下协调, 景观性很好。
(2) 受力合理, 比较经济。
(3) 上地较少, 施工方便、快速。
(4) 适应性强, 既适于墩高差别较大的情况, 也由于横向刚度较大, 尤其适于曲线地段。箱梁与上述几咱墩型的配合效果, 如图5:
其中图52e 为已建上海市轨道交通明珠线一期采用的桥梁造型; 图52b 为在建的上海市莘闵轻轨交通线采用的桥梁造型; 图52c 为笔者推荐的西安市地铁高架桥采用的桥梁造型方案。
4　对城市轨道交通高架桥选型的建议
高架桥选型现阶段宜采用箱梁配以轻型墩台, 基础应根据地质情况确定, 施工采用现浇法施工。但需抓紧大吨位运输、吊装设备的研制开发和施工工艺研究, 以降低造价; 同时也需对槽型梁和下承式脊梁的研究投入一定精力。

a　箱形倒T 形墩　b　箱形变形单柱墩　c　箱梁单柱墩



d　箱梁双柱墩　e　箱梁双柱墩　f　箱梁T 形墩图5

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