津濱輕軌高架橋總體設計
摘 要:全面介紹津濱輕軌工程高架橋的設計情況,常規梁跨采用3 25 m 預應力混凝土連續箱梁,節點橋除30～40 m 主跨連續梁外尚有異形箱梁、框架墩橋、50 m 簡支結合梁及中跨連續剛構橋等;同時對津濱輕軌高架橋橋型選定、快速施工、徐變及軟基沉降控制、框架墩、結合梁、剛構橋的設計難點進行了重點研究介紹和總結。關鍵詞:城市輕軌; 快速軌道交通; 高架橋; 建設條件; 技術標準; 設計原則1. 1 津濱輕軌項目總概況一線路位于天津市區及濱海新區城區。
由于本線是快天津市區至濱海新區快速軌道交通工程(簡稱津速軌道交通線,車流密度大,車速快,為保證安全,設計濱輕軌) 是天津市城市總體規劃布局的重要組成部分。為全封閉。在兩端城區及中間沿疏港公路地段由于沿該工程起于天津市區中心廣場,終到經濟技術開發區線道路、工廠、村莊密集,為減少分隔作用,給將來發展第八大街,線路全長約52. 5 km , 設胡家園車輛段和新創造條件,該部分線路均采用高架形式。中間一部分立鎮停車場兩個車輛基地,在終點處設置控制中心1 線路在跨過京山鐵路線至胡家園地段,線路緊靠京山座。該線設計時速為100 km , 是兼有城區間快速線路線,是尚未進行開發的地段。為降低工程投資,該部分性質的城市軌道交通工程。該工程的建設對天津市可線路采用地面形式,共有3 段,總長為4. 3 km , 終點1. 1 持續發展和實現21 世紀戰略具有十分重要的意義。km 長線路由于沒有立交要求,亦采用地面線路。該項目一期工程由市區中山門至經濟技術開發區津濱輕軌一期工程線路平面示意圖見圖1 。
圖1 津濱輕軌一期工程線路平面示意
1. 2 橋梁工程概況津濱輕軌一期工程高架線路為40 km , 考慮停車為無碴軌道,2 號、3 號橋為有碴軌道。橋上線路有場、車輛段及聯絡線高架并扣除高架車站范圍,橋梁總雙線、單線、多線及橋上出岔和橋上設置單渡線、交長度為39. 7 km , 占線路總長的87 % 。全線共設置4 叉渡線、鋼軌伸縮調節器等。沿線橋上主要線路情座高架橋,其分布及長度詳見圖1 。
沿線橋梁結構類型主要有以下幾種:
(1) 全線普遍采用的常規梁跨為單、雙線3 25 m 預應力混凝土連續箱梁和3 20 m 鋼筋混凝土連續箱梁;
(2) 跨越主要道路等采用30 、35 、40 m 主跨預應力混凝土連續箱梁;
(3) 在橋上出岔、變線間距、多線橋處采用鋼筋混凝土連續整孔異形箱梁;
(4) 在小角度跨越道路、重要管線時,采用各種形式框架墩、倒L 形墩及簡支或連續的鋼混結合梁;
(5) 跨越鐵路及重要道路采用50 m 跨簡支鋼混結合梁,共3 處;
(6) 跨越重要公路采用了主跨分別為56. 8 m 和62 m 的2 座4 跨連續剛構橋。
2 建設條件
2. 1 地形地貌
津濱輕軌經過地區處于海河沖積平原與濱海相銜接處,按大的地貌單元可分為沖積平原和濱海平原。地形平坦,地勢低平,溝渠縱橫,絕對高程一般為0～ 3. 5 m 。沿線河流屬海河水系,沿途跨越河流主要有月牙河、西減河、煤河、袁家河、黑潴河等,沿線人工開挖的溝渠縱橫交錯。上述河渠均受人工調控,大都只有河槽,無灘地,河床平順。
2. 2 工程地質
沿線地層較簡單,第四系地層廣泛發育,厚度巨大。地層分布從上到下依次為人工堆積層、新近沉積層、上部陸相層、第一海相層、中上部陸相層、上部及中上部地層廣泛沉積有十幾米厚的軟土,各土層物理力學性質、固結度較差,強度較低。沿線地下水位埋深較淺,一般為地表下0～3 m 。
2. 3 地震
根據《津濱輕軌工程場地地震安全性評價報告》, 工程場地類別為Ⅲ 類,對應50 年超越概率10 % 的地震烈度,即基本烈度為Ⅶ 度。沿線地層軟土較厚,但大部分地段軟土震陷問題較小,僅終點約10 km 線路存在較明顯的軟土震陷。沿線雖分布了較多的粉砂、細砂、粉土地層,但工程場地地震液化問題不明顯。
3 主要技術標準
(1) 線路類別 輕軌;
(2) 正線數目 雙線;
(3) 最小曲線半徑 區間正線: 一般600 m , 困難條件400 m ; 車場線及輔助線:150 m ;
(4) 最大坡度 區間正線30 ‰,輔助線40 ‰;
(5) 軌距 1 435 mm , 采用60 kg/m 鋼軌、無縫線路、無碴軌道(地面線路部分為有碴軌道);
(6) 電動車組 選用B 型4 軸電動車組, 軸重≤14 t ;
(7) 編組 初期、近期列車編組為4 輛,遠期列車編組為6 輛;
(8) 牽引種類 電力;
(9) 線網電壓 DC1 500 V 、架空接觸網供電;
(10) 設計最高行車速度 100 km/h ;
(11) 地震烈度 按Ⅶ 度設計。
4 橋梁設計總體指導原則
(1) 橋梁設計必須符合安全、適用、經濟、美觀的原則,并盡可能采用成熟、先進技術。
(2) 全線橋梁設計要力求統一風格、統一設計、統一材料。
(3) 由于全線常規標準跨占橋梁工程投資的95 % 以上,因此要充分做好常規梁跨的設計比選和優化工作。
(4) 高架橋梁梁式、墩型的選擇要遵循結構受力合理、外形美觀、梁墩配合協調、與周圍環境和諧的原則。
(5) 橋梁結構應構造簡單、力求標準化、系列化、并盡量減少結構類型,便于設計、施工和養護維修。
(6) 橋梁上部結構應盡量采用預應力混凝土結構, 結構要有足夠的強度、剛度和穩定性,作為永久性建筑物,要有良好的耐久性。
(7) 橋梁跨徑應根據城市的景觀、經濟、方便施工等因素進行優化比選,一般區間采用經濟跨徑20～30 m 為宜,特殊地段根據實際情況確定。
(8) 高架橋梁設計要研究確定合理的橋面結構布置形式,滿足各相關專業要求。
(9) 由于采用無碴軌道,且沿線多為軟土地基,因此在設計中應嚴格控制橋梁徐變及基礎沉降,以滿足鋪設無縫線路、設置無碴軌道的要求。
(10) 梁部結構設計應有足夠的剛度和自振頻率,要盡可能減少梁部結構振動或共鳴等產生的噪聲污染。
(11) 高架橋梁除滿足行車功能的要求外,尚需考慮人員緊急疏散、電力及通訊等管線的支撐設備和防止列車脫軌落梁的設備。
(12) 橋梁設計應滿足限界、抗震、防迷流、環保、施工工藝等方面的要求。
(13) 跨越河流、溝渠時,應盡量減少河中橋墩數量,且宜采用圓柱墩、圓端型墩以減少阻水面積。
(14) 跨越鐵路、公路或城市道路時,橋下凈空需滿足有關技術標準要求并征得相關部門同意,設計方案應盡可能減小對現有公路、鐵路交通的影響。
(15) 橋梁設計要充分考慮地面或地下已有或規劃建筑物,盡量避免或減少對建筑物的不利影響。
(16) 橋梁結構設計應結合橋跨結構、軌道結構類型、支座布置等綜合考慮梁軌相互作用力的影響,并根據受力特點進行合理的荷載組合。
(17) 為提高線路運營條件,減少道岔及溫度伸縮調節器的養護維修工作量,橋梁孔跨布置時要盡可能避免梁縫設在道岔區和溫度伸縮調節器前后。
(18) 為滿足橋上線間距變化及設置單開道岔或交叉渡線等的需要,要選取合理的梁部結構及孔跨布置形式。
5 重點研究解決的技術方案和問題
(1) 一般跨度橋梁合理型式的選定
由于一般梁跨是該橋的主體,因此選定經濟、美觀、合理的梁跨結構型式是至關重要的。梁部結構設計中分別對預應力混凝土箱梁、鋼筋混凝土箱梁、預應力混凝土組合箱梁、預應力混凝土雙肋板梁、鋼管混凝土結合梁、鋼混凝土結合梁、小跨度鋼筋混凝土連續剛架、槽形梁、簡支梁與連續梁等進行了分析,結合預制架設、現場滿布支架現澆、滑移模架施工、節段預制拼裝等不同施工方案進行了綜合比選,根據現場條件、工程建設進度計劃及前期建設準備情況最終選定采用現澆整孔連續箱梁。其經濟跨度為25 m , 跨度小于25 m 時采用鋼筋混凝土連續箱梁,25～40 m 跨度選用預應力混凝土連續箱梁。根據不同橋寬、曲線半徑等組合,40 m 以下跨度梁種類全線達100 余種。
(2) 適用于長橋優質快速施工的橋梁結構設計
本項目高架橋長40 km , 工程量巨大,而建設工期包含征地、拆遷等各項建設準備工作要求不到2 年,因此工程量大而周期短的矛盾較為突出。為解決這一主要矛盾,設計中研究解決了預應力混凝土梁同時施工時預應力束的張拉問題,并在設計中運用了A 、B 型兩種梁端設計及根據現場施工需要的互換原則。為加快梁部支架的周轉,縮短施工周期,在A 型梁端設置了硫磺砂漿臨時支座。對于鋼筋混凝土連續梁,為加速施工,根據試驗段施工反饋意見對箱梁腹板厚度及鋼筋布置進行了優化設計后全線推廣采用。
(3) 橋梁徐變及軟基沉降的控制
根據本線技術特點,無碴軌道橋梁工后總變形量要求不得大于2 cm , 在總變形量中包括橋梁徐變變形和基礎沉降兩部分。在設計中研究分析了變形產生的原因,結合國內其他類似項目的研究成果采取了多種設計措施,包括確保梁部有足夠的豎向剛度、適宜的預應力度、合適的預應力束布置以及合理的樁基選型和樁基布置方式,在樁基設計中保證樁尖置于穩固的第二持力層即埋深30～35 m 以下的第Ⅳ 陸相層之中。
(4) 墩臺設計中減小橋上無縫線路長鋼軌作用力作用的對策
橋上無縫線路梁軌相互作用機理比較復雜,設計繁瑣,在橋梁孔跨布置、橋梁結構選擇時考慮盡可能減小長鋼軌作用力對下部結構設計的影響,在一般橋跨設計中分析歸納了不同梁跨、不同支座布置、無縫線路固定區及伸縮區不同位置對下部結構設計的影響,根據其影響大小進行墩臺結構的設計。
(5) 小角度跨越鐵路、公路時合理橋梁結構選型
受場地條件控制,在跨越部分鐵路、公路時,平面交叉條件較差,一是夾角較小,二是線路位于小半徑曲線上,根據所需跨度基本分為50～62 m 跨和大于100 m 跨兩類。對于兩跨京山鐵路,為了確保鐵路運輸安全,最大限度降低對運營的影響,橋梁結構均選用1 50 m 跨簡支鋼混結合梁,采用吊裝或拖拉法施工。對于跨越塘沽區河北路,由于其位于無縫線路伸縮區,為克服長聯連續梁在伸縮區較大的梁軌相互作用,亦選用1 50 m 簡支鋼混結合梁設計。對于兩處跨越疏港公路,其跨度要求分別為(42 + 62 + 62 + 42)m 和(36 + 56. 8 + 56. 8 + 36)m。對于這樣的4 孔連續梁,其梁軌相互作用力是很大的,路中分隔帶上橋墩尺寸將滿足不了道路斷面要求,而選用連續剛構橋則較好地解決了這一矛盾。對于所需跨度大于100 m 的工點,設計中對斜拉橋、拱橋、大跨連續梁、一般小跨梁結合框架墩等方案進行了論證分析,最終研究確定了經濟、實用的小跨梁配框架墩方案。
(6) 框架式橋墩設計
全線運用了較多的框架式橋墩,根據框架墩的跨度大小分為鋼筋混凝土、預應力混凝土、鋼橫梁混凝土立柱組合框架墩3 種類型。設計中重點研究解決了墩與橫梁的剛度匹配、墩梁固接處的局部應力分析及加強措施、結構中合理的普通鋼筋和預應力筋的布置及混凝土立柱與鋼橫梁的最佳連接方式等問題。
(7) 鋼混結合梁設計
本項目中共設計了3 類鋼混結合梁,分別為25 m 跨連續鋼混結合梁、22 m 跨簡支鋼混結合梁和50 m 跨簡支鋼混結合梁。設計中重點研究解決了結構型式及材質的選型、剪力傳剪器的選型與設計、連續梁負彎矩區裂縫控制、混凝土收縮、徐變對組合截面的內力影響和施工階段的穩定性分析等。
原作者：孫衍福,李小江
