提 要: 上海地鐵二號線東西延伸段、莘閔輕軌交通線, 西安地鐵等工程, 系統探討了城市軌道交通高架橋在選型上應考慮的方面和因素, 并結合具體工程項目, 對高架橋的梁部結構及墩柱的各種型式做了詳細介
紹, 給出了選型的參考性方案。主題詞: 城市軌道交通; 高架橋; 梁部結構; 橋墩;
伴隨著我國城市化進程的迅速發展, 和中央開發大西北戰略的確定, 城市交通系統等基礎設施的建設已成為優先實施的基本任務之一。城市交通系統中, 除公共汽、電車外, 主要有地鐵和輕軌系統。我國許多大城市, 除公共汽車、電車系統外, 地鐵和輕軌系統為數不多, 亟待建設。
人們通常主要根據客運量和建設資金來選擇修地鐵或輕軌, 但由于地鐵建于地下造價實在太高, 現在, 人們更傾向于將盡可能多的地鐵建于地面上。修于地面上的地鐵同輕軌一樣, 土建結構大部分為高架橋。高架橋的選型和設計, 是當前橋梁工程師進行研究和實踐的主要任務之一。
1 影響高架橋選型的主要因素
高架橋選型主要包括梁部和墩柱的選型, 基礎雖受梁部和墩柱型式的一定影響, 但主要還是由地質情況確定, 比較單一; 選型時主要考慮景觀、經濟、功能、施工、占地和工期等幾方面。
1. 1 高架橋應與周圍城市景觀保持一致
鑒于高架橋作為城市的永久建筑, 人們期望其會成為城市的一道美麗的景觀。但由于高架橋長、窄、平的特點, 要想達到此目標實際上非常困難, 而且將城市的著眼點過多吸引在高架橋上也并不可取。筆者以為高架橋在造型上應以簡潔為基本原則, 采用融和法和消去法, 使之從屬于城市環境。如上海, 道路用地范圍窄, 兩側高樓林立, 宜使橋梁造型柔和, 色彩暗淡, 弱化視角效果; 如西安和蘭州, 道路兩側視野比較開闊, 宜采用有力度感和色彩鮮艷一些的造型, 引起人們的注意。
1. 2 高架橋應與當地人文景觀相互和諧
高架橋的造型, 除了考慮與周圍環境景觀的一致外, 還應重視當地人文景觀的和諧。由于我國幅員遼闊, 歷史悠久, 每個城市都積累了深厚的、富有地域性的人文文化特征, 在高架橋的造型上選型上, 必須充分注意這種差別, 比如, 對江南城市和西北城市的造型就不宜采用同一型式。對于江南城市, 如上海, 可采用斜腹板箱梁, 配以獨柱矩墩(采用大圓弧倒角) 或雙柱圓墩, 以體現江南的輕巧柔和; 而對于西北名城西安或蘭州, 則可采用直腹板箱梁, 配以獨柱矩墩(不倒角), 以體現西北豪爽剛直的文化氛圍, 如圖1:
1. 3 高架橋在經濟上應節約高效
經濟指標是確定高架橋型式的主要因素, 它通常最主要是在縱向上限制橋梁跨長, 這也是橋梁在美觀上受到限制的一個主要因素, 因為大跨度更易體現橋梁的輕盈。經濟指標一般具體體現在以下幾方面:
(1) 經濟跨度: 經濟跨度一般與地質情況和規模化生產有關。如采用箱梁梁型、支架現澆法施工, 對于上海, 經濟跨度在30 m 左右; 而西安則為25 m 左右。
(2) 結構體系: 結合城市軌道長的特點, 采用連續結構要比簡支結構經濟。如(3×30) m 連續箱梁結構(3) 梁型: 通常梁型越美觀, 造價也越高。如弧形外要比3 孔30 m 簡支梁結構便宜約5～ 10% 。當然, 連腹板箱梁要比直斜腹板的造價高。續結構要比簡支結構在設計和施工上都要復雜一些。
a 上海市高架橋造型參考方案 b 西安市高架橋造型參考方案圖1 高架橋造型參考方案
1. 4 高架橋施工應力求先進、快速
現在, 我國高架橋通常采用現澆法施工, 比較落后。這主要是由于我國當前仍存在許多諸如運輸、架設設備方面的問題, 無法采用預制吊裝法施工。比如, 對于L p= 30m 的簡支箱梁, 雙線每孔重約320 t, 單線時約150 t, 我國現階段均無適合的運輸、吊裝設備。
但由于無碴軌道結構對橋梁變形的要求, 為減少梁部結構的收縮徐變變形, 一般控制承軌臺施工與橋梁施工的時間間隔不小于一定數值, 如L p= 30m 簡支梁, 一般為90 天。為便于合理安全施工順序以縮短工期、工廠規模預制以降低造價和減少施工期間對周圍居民噪音影響等, 宜采用先進的預制吊裝法施工。隨著我國時速達250 km /h 的秦沈客運專線的啟動, 鐵路系統已在1999 年研究成功了M Z32 移動模架造橋機、3BM 2600 型架橋機和420 t 胎式箱梁運輸車等專用設備以及相關施工工藝和方法, 筆者相信, 隨著城市軌道交通的發展, 這些設備和方法也會轉向高架橋的建筑方面。
2 高架橋梁部結構型
理論上可采用和國外已采用的梁部結構型式有: 槽形梁、下承式脊梁、T 梁、板梁和箱梁等, 如圖221～ 225: 1.
2. 1 槽形梁: 橋梁建筑高度低, 便于城市道路間立體交叉, 壓低線路標高, 節約總投資; 且兩側主梁可兼起防噪屏作用, 景觀程度很好。但需布置多向預應力鋼筋。施工復雜, 進度慢, 造價較高, 且設計、施工經驗少。跨度L p 為30 m 的簡支雙線梁, 一般每m2 橋梁面積主要工程數量為: 混凝土, 0199m 3; 預應力鋼筋, 56 kg; 鋼筋, 27 kg 。
2.2. 2 下承式脊梁: 橋梁建筑高度即為挑臂板的厚度, 不受跨度改變的影響, 為定值, 易于線路的線型布置; 建筑高度低, 便于壓低線路標高, 減少工程量; 結構上需要的部分也可兼做它用, 如脊梁、邊梁可防噪, 脊梁頂可用做檢修通道等; 造型獨特, 具現代感; 可采用預制桿件拼裝施工, 快速, 干擾少。但在我國無先例, 設計、施工經驗少。跨度L p 為30 m 的簡支雙線梁, 一般每m2 橋梁面積主要工程數量為: 混凝土, 0152m 3; 預應力鋼筋, 23 kg; 鋼筋, 61 kg 。
2. 3 T 梁: 橋梁建筑高度最高, 每線兩片T 梁, 受力清晰, 設計、施工經驗相當成熟。但不宜城市道路間立體交叉, 線路標高較高; 一般需要在就近預制, 所需要預制場地在城市內常受到限制; 橋梁底部呈網格狀, 美觀性最差; 特別是兩片T 梁間鉸接, 整體受力性差。
圖2
1.2. 4 板梁: 橋梁建筑高度較低, 每線采用兩片或四片空心板梁, 受力清晰, 設計、施工經驗相當成熟。但各片板梁間鉸接, 整體受力性差; 經濟跨度一般在16～ 20 m, 較小, 景觀性差; 梁高較低, 相應剛度較小, 梁部后期收縮徐變較大, 不利于軌道交通線路軌道調高要求; 按常規預制、吊裝施工時, 也只能用于20 m 以下的小跨度。
2.2. 5 箱梁: 橋梁建筑高度適中, 工程量較省; 適用性好, 既可作為區間標準地段, 也可用于曲線、變寬、出岔地段; 整體受力性好; 外觀線型流暢、美觀; 設計、施工程數量為: 混凝土, 0151m 3; 預應力鋼筋, 31 kg; 鋼筋,經驗成熟, 對的傳統的現澆法施工積累有豐富的經驗。119 kg 。但對長達20～ 30 km 的輕軌線路, 現澆法施工時存在上述幾種梁型的特點、適用情況等的比較, 詳見下對周圍環境干擾多、施工成本高和工期長等缺點。跨度表1:L p 為30 m 的簡支雙線梁, 一般每m2 橋梁面積主要工
表1 梁型的特點、適用情況比較表
備注: 1. 梁高為L p= 30m 時數值, 非極端值
2. 經濟跨度除槽形梁和下承式脊梁為根據資料推測而得外, 其余為按樁長在40～ 50 m 和墩高在415～ 515m 分析而得。
綜上, 筆者推薦高架橋橋梁部采用箱梁型式, 現由如下:
(1) 箱梁的閉合薄壁截面剛度大, 整體受力性能好, 對于斜彎橋尤為有利。箱梁頂、底板具有較大的面積, 可有效地抵抗正負彎矩, 并滿足配筋要求。箱梁具有良好的動力性能, 收縮變形數值小。
(2) 箱梁截面外形簡潔, 底面平整光潔, 線條流暢, 景觀效果優異。
(3) 箱梁既適于中、大跨, 也適于簡支和連續結構, 更適于各種地段, 如直線段、曲線段、出岔段和變寬段等, 便于同一條線路上減少橋梁類型。
(4) 箱梁具有相當成熟的設計、施工水平和經驗。當前的現澆法施工雖有不足, 但尚可以克服, 如使預應力鋼束錨固于梁內而不錨固與梁端, 從而可以同時開始多個工作面施工等, 而不致影響整個工程的進度。
(5) 從可持續發展角度看, 箱梁只要解決了大噸位的運輸、吊裝設備的研制和相關施工工藝問題, 即可實現工廠化、規模化生產, 經濟指標將會大幅下降。
3 高架橋墩柱型式
墩臺基礎除應有足夠的強度和穩定性, 避免在荷載作用下的過大位移外, 其造型應能使上下部結構協調一致, 輕巧美觀, 與城市環境和諧、勻稱。在墩臺選型上, 其一般服從梁部型式, 此外, 也受占地、道路、通視等的限制。通常有:T 形墩、倒T 形墩、Y 形墩、單柱墩、雙柱墩等基本型式(見圖321～ 325) 及其變型(如圖4):
3. 1 T 形墩: 適于板梁、T 梁和槽形梁等梁部為分片結構或梁部支承點相距較遠的梁型, 用于箱梁時, 一般為一線一箱的分離式箱梁。由于有托盤, 一般在滿足梁部支承需要的前期下, 可以減少墩柱的尺寸, 節約圬工, 減輕墩身重量。主要優點為受力合理, 但上下部過渡有轉折, 造型一般。
3. 2 倒T 形墩: 主要適于單箱單室箱梁和脊梁等梁部支承點相距稍遠的梁型。特別是對于外腹板微斜的箱梁, 如墩高適宜, 則可使梁的腹板和墩的邊線斜度一致, 使上下部渾然一體, 造型美觀。但該墩受力上較合理, 材料有浪費, 投資增加; 在墩高相差較大時, 整體造型不易協調。
圖3
圖4 變形單柱墩
3. 3 Y 形墩: 適于情況同T 形墩, 但較T 形墩材料更省、受力更合理。但由于高架橋墩高一般在515～ 610 m 以下,Y 形墩在外形上顯得較滯重。
3. 4 單柱墩: 主要適于單箱單室箱梁和脊梁等梁部支承點相距較近的梁型。特別是對直腹板箱梁, 可使箱梁底寬同墩橫向寬度一致, 從而使上下部渾然一體, 顯得挺拔有力度, 對墩高的變化適應性極強。受力合理, 材料較節省, 施工方便。
3. 5 雙柱墩: 適于各種梁型, 用于多線或出岔地段。承載能力及穩定性較強, 墩可以做得纖細, 材料利用率高。但對橋寬僅810m 左右的高架橋來講, 造型顯得不夠簡潔。綜上, 為與箱梁配合, 筆者推薦采用單柱形墩和變形單柱墩(見圖4) 理由如下:
(1) 與箱梁配合, 上下協調, 景觀性很好。
(2) 受力合理, 比較經濟。
(3) 上地較少, 施工方便、快速。
(4) 適應性強, 既適于墩高差別較大的情況, 也由于橫向剛度較大, 尤其適于曲線地段。箱梁與上述幾咱墩型的配合效果, 如圖5:
其中圖52e 為已建上海市軌道交通明珠線一期采用的橋梁造型; 圖52b 為在建的上海市莘閔輕軌交通線采用的橋梁造型; 圖52c 為筆者推薦的西安市地鐵高架橋采用的橋梁造型方案。
4 對城市軌道交通高架橋選型的建議
高架橋選型現階段宜采用箱梁配以輕型墩臺, 基礎應根據地質情況確定, 施工采用現澆法施工。但需抓緊大噸位運輸、吊裝設備的研制開發和施工工藝研究, 以降低造價; 同時也需對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 箱形變形單柱墩 c 箱梁單柱墩
d 箱梁雙柱墩 e 箱梁雙柱墩 f 箱梁T 形墩圖5
參考文獻
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