淺析城市軌道交通高架型式設(shè)計(jì)探討
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摘要：城市軌道高架線路型式因其造價低、建設(shè)周期短而越來越受到?jīng)Q策者和建設(shè)者的青睞，正在建設(shè)的16條線路中，高架長度已占到約40%。本文即重點(diǎn)論述了高架結(jié)構(gòu)型式選擇的因素及高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的。
關(guān)鍵詞：軌道交通；設(shè)計(jì)；高架結(jié)構(gòu)
1高架城市軌道交通建設(shè)現(xiàn)狀
眾所周知，伴隨著新世紀(jì)的到來，的城市軌道交通建設(shè)也翻開了嶄新的一頁。中國人口過百萬的三十四個城市中，有二十個超大城市和特大城市正在建設(shè)和籌建自己的軌道交通。目前在建的線路長度近400公里，這其中高架線路型式因其造價低、建設(shè)周期短而越來越受到?jīng)Q策者和設(shè)計(jì)者的青睞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已建成通車的8條146.94公里的線路中，僅有一條高架線，長度占17%，而正在建設(shè)的16條線路中，高架長度已占到約40%。表1為已建項(xiàng)目高架線路情況統(tǒng)計(jì)。
城市快速軌道交通高架橋梁與一般城市高架道路橋梁不同，雖與鐵路橋近似，但也有其特殊性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
①橋上鋪設(shè)無縫線路無碴軌道結(jié)構(gòu)，因而對結(jié)構(gòu)型式的選擇及上、下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)造成特別的影響；
②城市軌道交通特有的橋面系布置及接口關(guān)系；
③列車的運(yùn)行最高速度為80km/h，運(yùn)行密度大，維修時間短；
④建設(shè)地點(diǎn)一般位于城區(qū)或近郊區(qū)，對景觀要求、施工工期及環(huán)保要求較高。
目前，正在建設(shè)高架軌道交通項(xiàng)目的北京、上海、武漢等地，業(yè)主和設(shè)計(jì)者已充分認(rèn)識到了上述特點(diǎn)，并積極開展了工作，為高架結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，正在修編的《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》也特別加入了高架結(jié)構(gòu)這一章。本文重點(diǎn)論述了高架結(jié)構(gòu)型式選擇的影響因素及高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題，供大家探討交流。
3高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題
3.1特殊荷載
軌道交通高架橋因橋上鋪設(shè)無縫線路，引起了一些特殊力。橋上鋪設(shè)無縫線路因溫度變化、列車荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使梁軌之間產(chǎn)生相對位移，因扣件縱向阻力的作用，梁軌相對位移受到約束，因此梁軌間產(chǎn)生大小相等、方向相反的縱向力。它們分別是：伸縮力、撓曲力、斷軌力，制動力與鐵路橋也不同。
3.2變形控制
由于城市軌道高架橋采用無渣無枕軌道結(jié)構(gòu)，鋼軌扣件調(diào)高量僅為40mm，即橋梁的后期變形不能大于40mm.橋梁設(shè)計(jì)時必須考慮變形控制。主要的變形包括予應(yīng)力混凝土梁的徐變變形和基礎(chǔ)的后期沉降。從1997年開始，筆者有幸參加了國內(nèi)第一條高架城市軌道交通線路-上海明珠一期工程的設(shè)計(jì)及該工程對橋梁的徐變控制和基礎(chǔ)沉降的課題，課題從設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測、到運(yùn)營階段對橋梁的徐變和沉降進(jìn)行了深入研究，課題歷時4年多。正在建設(shè)的北京城市鐵路，也對橋梁的徐變進(jìn)行了測試，工程實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)和施工過程中采取一些適當(dāng)措施，其變形是可以得到有效控制的。
控制徐變變形的措施：
1．設(shè)計(jì)時適當(dāng)增加梁的剛度，減少彈性變形，從而減少徐變變形基數(shù)；
2．優(yōu)化予應(yīng)力鋼束布置，控制張拉應(yīng)力。
3．提高張拉時混凝土的齡期。
4．梁體設(shè)計(jì)預(yù)拱度時考慮徐變變形的。
5．施工加強(qiáng)對混凝土的養(yǎng)護(hù)，減低水灰比。
6．梁澆注完成后，要做好施工組織，盡量延遲承軌臺開始澆注的時間。
7．加強(qiáng)監(jiān)測，將測量信息及時反饋給設(shè)計(jì)。
基礎(chǔ)變形控制
1．盡量采用樁基礎(chǔ)；
2．增加樁長；
3．增加樁數(shù)；
4．選擇持力層。
3.3橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇
長距離的高架橋結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)遵循安全、、美觀、便于施工，滿足橋下道路交通及環(huán)保要求，因此，高架橋區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段橋式選擇的成功與否，是高架線路建設(shè)能否成功的關(guān)鍵因素之一。
3.3.1合理跨徑：從景觀、經(jīng)濟(jì)和施工技術(shù)等各方面綜合考慮確定。區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)梁的合理跨度以25m-30m為宜。
3.3.2結(jié)構(gòu)體系：城市中小跨度橋多采用簡支梁體系或連續(xù)梁體系。簡支梁結(jié)構(gòu)簡單,受力明確，容易做到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、制造工廠化、施工機(jī)械化，安裝架設(shè)方便，施工速度較快。連續(xù)梁橋?yàn)槌o定體系，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，動力性能好，有利于改善行車條件，減小列車運(yùn)行產(chǎn)生的噪音和振動。優(yōu)先推薦簡支梁體系。
3.3.3梁型
根據(jù)幾條線的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)梁的結(jié)構(gòu)型式重點(diǎn)應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁和預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁。
箱梁能適應(yīng)各類條件，是國內(nèi)廣泛采用的高架結(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、動力穩(wěn)定性好。箱梁外觀簡潔、適應(yīng)性強(qiáng)，在區(qū)間直線段、曲線段、折返線及渡線段等處均可采用，對于斜彎橋尤為有利。
Ｔ形梁屬肋梁式結(jié)構(gòu)的一種，其抗彎性能好。由于主梁為工廠或現(xiàn)場預(yù)制，故質(zhì)量較高。橋梁上部結(jié)構(gòu)由四片Ｔ梁相互聯(lián)結(jié)而成，吊裝重量輕，施工方便，且構(gòu)件容易修復(fù)或更換。
槽形梁為下承式梁，與上承式梁相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度相對較低，且兩側(cè)的主梁可起到隔音作用。
表2列出了各種型式梁特性的綜合比較。
3.4施工方式選擇
對于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間橋梁，其施工主要有整孔預(yù)制方案、節(jié)段拼裝和現(xiàn)澆三種方式。從表1可以看出，在目前國內(nèi)建成和在建的線路中，橋梁施工方法多采用現(xiàn)澆，這是由于當(dāng)時國內(nèi)橋梁運(yùn)輸和吊裝設(shè)備的限制及標(biāo)段劃分較小的原因造成的。但是，世界上橋梁技術(shù)迅速，橋梁的結(jié)構(gòu)也在多樣化，特別是由于橋梁架設(shè)施工技術(shù)的發(fā)展，促使各類橋梁的架設(shè)質(zhì)量與進(jìn)度不斷提高。由于高速鐵路橋梁和輕軌交通高架橋梁發(fā)展的需要，也使架橋設(shè)備與技術(shù)日新月異。修建城市輕軌高架橋，應(yīng)采用預(yù)制簡支梁吊運(yùn)架設(shè)法，利用橋梁施工設(shè)備與技術(shù)，以流水作業(yè)方式進(jìn)行建設(shè)施工。這種方法已在意大利、法國、南韓、墨西哥等國家被證明是保證橋梁外觀質(zhì)量、縮短工期、降低總成本、減少施工對的負(fù)效應(yīng)的最佳方式。
預(yù)制施工方案的特點(diǎn)：
1)在現(xiàn)場預(yù)制箱梁，通過運(yùn)輸機(jī)械將箱梁運(yùn)到橋位，再利用架橋機(jī)械將箱梁安裝就位。
2)對施工現(xiàn)場周邊的城市環(huán)境影響較小。由于采用預(yù)制、吊裝的施工方法，在橋墩及基礎(chǔ)施工完成后即可對施工沿線現(xiàn)場進(jìn)行清理，并在線上完成橋梁架設(shè)，可有效減小拆遷量，減少施工場地占用面積和時間以及對城市交通的影響。
3)橋梁上部結(jié)構(gòu)為工廠化生產(chǎn)，施工工藝簡單易行，技術(shù)成熟，橋梁的內(nèi)部質(zhì)量及外觀都能得到保障，可有效避免全線現(xiàn)澆作業(yè)中橋梁質(zhì)量參差不一，外觀相差較大的現(xiàn)象。
4)整孔預(yù)制、運(yùn)輸、架設(shè)方案單工作面施工速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其他施工方案。如采取恰當(dāng)運(yùn)梁方式，更有利于減少施工對城市環(huán)境及城市交通的影響。
5)預(yù)制施工的發(fā)展-階段拼裝法：分段箱梁的運(yùn)輸、安裝方便，采用跨越式架橋桁機(jī)，對交通和社區(qū)的干擾最小。此外橋梁跨度較大并可靈活調(diào)整。
3.5車站結(jié)構(gòu)型式及減振措施
從結(jié)構(gòu)形式上高架車站主要分三類：站橋分離式，橋從車站穿過，與車站的構(gòu)件不發(fā)生任何關(guān)系；站、橋結(jié)合式，即行車道處設(shè)行車道梁，該梁簡支在車站框架橫梁上，支承點(diǎn)采取減振措施；站、橋合一式，即車站部分框架結(jié)構(gòu)作為行車道，列車直接在框架梁板上行走。這三種結(jié)構(gòu)形式有如下的優(yōu)缺點(diǎn)：
高架車站結(jié)構(gòu)型式比較表 表3
4需進(jìn)一步研究的課題
雖然城市軌道交通高架橋的建設(shè)已有一些經(jīng)驗(yàn)，但仍需解決以下：
1)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性及100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇。
2)施工方法研究，如整孔預(yù)制運(yùn)架技術(shù)、階段拼裝技術(shù)、先張預(yù)應(yīng)力技術(shù)等。
3)車站型式及規(guī)模優(yōu)化。
4)減振降噪技術(shù)。
5結(jié)語
綜上所述，城市軌道交通高架型式的設(shè)計(jì)有其自身的特點(diǎn)，它涉及了線路、橋梁、軌道、建筑景觀、建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)、施工等多個領(lǐng)域，是一個綜合的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。作者在這里只是拋磚引玉，希望的高架城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)不斷完善、持續(xù)創(chuàng)新。
[1]馮愛軍,“軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制”，第二屆全國城市橋梁青年學(xué)術(shù)會議，1999.12。
[2]“北京地鐵5號線投標(biāo)文件”，北京城建設(shè)計(jì)研究院。2002.4
關(guān)鍵詞：軌道交通；設(shè)計(jì)；高架結(jié)構(gòu)
1高架城市軌道交通建設(shè)現(xiàn)狀
眾所周知，伴隨著新世紀(jì)的到來，的城市軌道交通建設(shè)也翻開了嶄新的一頁。中國人口過百萬的三十四個城市中，有二十個超大城市和特大城市正在建設(shè)和籌建自己的軌道交通。目前在建的線路長度近400公里，這其中高架線路型式因其造價低、建設(shè)周期短而越來越受到?jīng)Q策者和設(shè)計(jì)者的青睞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已建成通車的8條146.94公里的線路中，僅有一條高架線，長度占17%，而正在建設(shè)的16條線路中，高架長度已占到約40%。表1為已建項(xiàng)目高架線路情況統(tǒng)計(jì)。
城市快速軌道交通高架橋梁與一般城市高架道路橋梁不同，雖與鐵路橋近似，但也有其特殊性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
①橋上鋪設(shè)無縫線路無碴軌道結(jié)構(gòu)，因而對結(jié)構(gòu)型式的選擇及上、下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)造成特別的影響；
②城市軌道交通特有的橋面系布置及接口關(guān)系；
③列車的運(yùn)行最高速度為80km/h，運(yùn)行密度大，維修時間短；
④建設(shè)地點(diǎn)一般位于城區(qū)或近郊區(qū)，對景觀要求、施工工期及環(huán)保要求較高。
目前，正在建設(shè)高架軌道交通項(xiàng)目的北京、上海、武漢等地，業(yè)主和設(shè)計(jì)者已充分認(rèn)識到了上述特點(diǎn)，并積極開展了工作，為高架結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，正在修編的《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》也特別加入了高架結(jié)構(gòu)這一章。本文重點(diǎn)論述了高架結(jié)構(gòu)型式選擇的影響因素及高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題，供大家探討交流。
3高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題
3.1特殊荷載
軌道交通高架橋因橋上鋪設(shè)無縫線路，引起了一些特殊力。橋上鋪設(shè)無縫線路因溫度變化、列車荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使梁軌之間產(chǎn)生相對位移，因扣件縱向阻力的作用，梁軌相對位移受到約束，因此梁軌間產(chǎn)生大小相等、方向相反的縱向力。它們分別是：伸縮力、撓曲力、斷軌力，制動力與鐵路橋也不同。
3.2變形控制
由于城市軌道高架橋采用無渣無枕軌道結(jié)構(gòu)，鋼軌扣件調(diào)高量僅為40mm，即橋梁的后期變形不能大于40mm.橋梁設(shè)計(jì)時必須考慮變形控制。主要的變形包括予應(yīng)力混凝土梁的徐變變形和基礎(chǔ)的后期沉降。從1997年開始，筆者有幸參加了國內(nèi)第一條高架城市軌道交通線路-上海明珠一期工程的設(shè)計(jì)及該工程對橋梁的徐變控制和基礎(chǔ)沉降的課題，課題從設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測、到運(yùn)營階段對橋梁的徐變和沉降進(jìn)行了深入研究，課題歷時4年多。正在建設(shè)的北京城市鐵路，也對橋梁的徐變進(jìn)行了測試，工程實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)和施工過程中采取一些適當(dāng)措施，其變形是可以得到有效控制的。
控制徐變變形的措施：
1．設(shè)計(jì)時適當(dāng)增加梁的剛度，減少彈性變形，從而減少徐變變形基數(shù)；
2．優(yōu)化予應(yīng)力鋼束布置，控制張拉應(yīng)力。
3．提高張拉時混凝土的齡期。
4．梁體設(shè)計(jì)預(yù)拱度時考慮徐變變形的。
5．施工加強(qiáng)對混凝土的養(yǎng)護(hù)，減低水灰比。
6．梁澆注完成后，要做好施工組織，盡量延遲承軌臺開始澆注的時間。
7．加強(qiáng)監(jiān)測，將測量信息及時反饋給設(shè)計(jì)。
基礎(chǔ)變形控制
1．盡量采用樁基礎(chǔ)；
2．增加樁長；
3．增加樁數(shù)；
4．選擇持力層。
3.3橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇
長距離的高架橋結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)遵循安全、、美觀、便于施工，滿足橋下道路交通及環(huán)保要求，因此，高架橋區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段橋式選擇的成功與否，是高架線路建設(shè)能否成功的關(guān)鍵因素之一。
3.3.1合理跨徑：從景觀、經(jīng)濟(jì)和施工技術(shù)等各方面綜合考慮確定。區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)梁的合理跨度以25m-30m為宜。
3.3.2結(jié)構(gòu)體系：城市中小跨度橋多采用簡支梁體系或連續(xù)梁體系。簡支梁結(jié)構(gòu)簡單,受力明確，容易做到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、制造工廠化、施工機(jī)械化，安裝架設(shè)方便，施工速度較快。連續(xù)梁橋?yàn)槌o定體系，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，動力性能好，有利于改善行車條件，減小列車運(yùn)行產(chǎn)生的噪音和振動。優(yōu)先推薦簡支梁體系。
3.3.3梁型
根據(jù)幾條線的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)梁的結(jié)構(gòu)型式重點(diǎn)應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁和預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁。
箱梁能適應(yīng)各類條件，是國內(nèi)廣泛采用的高架結(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、動力穩(wěn)定性好。箱梁外觀簡潔、適應(yīng)性強(qiáng)，在區(qū)間直線段、曲線段、折返線及渡線段等處均可采用，對于斜彎橋尤為有利。
Ｔ形梁屬肋梁式結(jié)構(gòu)的一種，其抗彎性能好。由于主梁為工廠或現(xiàn)場預(yù)制，故質(zhì)量較高。橋梁上部結(jié)構(gòu)由四片Ｔ梁相互聯(lián)結(jié)而成，吊裝重量輕，施工方便，且構(gòu)件容易修復(fù)或更換。
槽形梁為下承式梁，與上承式梁相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度相對較低，且兩側(cè)的主梁可起到隔音作用。
表2列出了各種型式梁特性的綜合比較。
3.4施工方式選擇
對于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間橋梁，其施工主要有整孔預(yù)制方案、節(jié)段拼裝和現(xiàn)澆三種方式。從表1可以看出，在目前國內(nèi)建成和在建的線路中，橋梁施工方法多采用現(xiàn)澆，這是由于當(dāng)時國內(nèi)橋梁運(yùn)輸和吊裝設(shè)備的限制及標(biāo)段劃分較小的原因造成的。但是，世界上橋梁技術(shù)迅速，橋梁的結(jié)構(gòu)也在多樣化，特別是由于橋梁架設(shè)施工技術(shù)的發(fā)展，促使各類橋梁的架設(shè)質(zhì)量與進(jìn)度不斷提高。由于高速鐵路橋梁和輕軌交通高架橋梁發(fā)展的需要，也使架橋設(shè)備與技術(shù)日新月異。修建城市輕軌高架橋，應(yīng)采用預(yù)制簡支梁吊運(yùn)架設(shè)法，利用橋梁施工設(shè)備與技術(shù)，以流水作業(yè)方式進(jìn)行建設(shè)施工。這種方法已在意大利、法國、南韓、墨西哥等國家被證明是保證橋梁外觀質(zhì)量、縮短工期、降低總成本、減少施工對的負(fù)效應(yīng)的最佳方式。
預(yù)制施工方案的特點(diǎn)：
1)在現(xiàn)場預(yù)制箱梁，通過運(yùn)輸機(jī)械將箱梁運(yùn)到橋位，再利用架橋機(jī)械將箱梁安裝就位。
2)對施工現(xiàn)場周邊的城市環(huán)境影響較小。由于采用預(yù)制、吊裝的施工方法，在橋墩及基礎(chǔ)施工完成后即可對施工沿線現(xiàn)場進(jìn)行清理，并在線上完成橋梁架設(shè)，可有效減小拆遷量，減少施工場地占用面積和時間以及對城市交通的影響。
3)橋梁上部結(jié)構(gòu)為工廠化生產(chǎn)，施工工藝簡單易行，技術(shù)成熟，橋梁的內(nèi)部質(zhì)量及外觀都能得到保障，可有效避免全線現(xiàn)澆作業(yè)中橋梁質(zhì)量參差不一，外觀相差較大的現(xiàn)象。
4)整孔預(yù)制、運(yùn)輸、架設(shè)方案單工作面施工速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其他施工方案。如采取恰當(dāng)運(yùn)梁方式，更有利于減少施工對城市環(huán)境及城市交通的影響。
5)預(yù)制施工的發(fā)展-階段拼裝法：分段箱梁的運(yùn)輸、安裝方便，采用跨越式架橋桁機(jī)，對交通和社區(qū)的干擾最小。此外橋梁跨度較大并可靈活調(diào)整。
3.5車站結(jié)構(gòu)型式及減振措施
從結(jié)構(gòu)形式上高架車站主要分三類：站橋分離式，橋從車站穿過，與車站的構(gòu)件不發(fā)生任何關(guān)系；站、橋結(jié)合式，即行車道處設(shè)行車道梁，該梁簡支在車站框架橫梁上，支承點(diǎn)采取減振措施；站、橋合一式，即車站部分框架結(jié)構(gòu)作為行車道，列車直接在框架梁板上行走。這三種結(jié)構(gòu)形式有如下的優(yōu)缺點(diǎn)：
高架車站結(jié)構(gòu)型式比較表 表3
4需進(jìn)一步研究的課題
雖然城市軌道交通高架橋的建設(shè)已有一些經(jīng)驗(yàn)，但仍需解決以下：
1)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性及100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇。
2)施工方法研究，如整孔預(yù)制運(yùn)架技術(shù)、階段拼裝技術(shù)、先張預(yù)應(yīng)力技術(shù)等。
3)車站型式及規(guī)模優(yōu)化。
4)減振降噪技術(shù)。
5結(jié)語
綜上所述，城市軌道交通高架型式的設(shè)計(jì)有其自身的特點(diǎn)，它涉及了線路、橋梁、軌道、建筑景觀、建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)、施工等多個領(lǐng)域，是一個綜合的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。作者在這里只是拋磚引玉，希望的高架城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)不斷完善、持續(xù)創(chuàng)新。
[1]馮愛軍,“軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制”，第二屆全國城市橋梁青年學(xué)術(shù)會議，1999.12。
[2]“北京地鐵5號線投標(biāo)文件”，北京城建設(shè)計(jì)研究院。2002.4