無錫地鐵2號線標準梁型設計研究

趙志軍,彭華春,魯 潔

( 1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.無錫市軌道交通發展有限公司,江蘇無錫 214000)

1 工程概況

無錫地鐵2號線工程高架段呈東西走向自西向東延伸,西起錫滬路,線路由友誼路站后在東亭醫院附近出地面后轉為高架,在莊橋路東面設春陽路站,繼續沿錫滬東路路中向東,上跨312國道、滬寧高速公路后,在團結路東面設團結路站,沿東安路向東,跨越紡城大道后設紡織城站,繼續沿東安路向東,上跨新錫路高架后設金橋路站,過吼山大道后100 m左右接橋臺路基。

2 國內軌道交通橋梁結構現狀

區間橋梁標準梁型的選擇,應從橋梁結構類型、施工方法、技術經濟及橋梁美學等因素進行優化比選確定。國內已建和在建的數十條高架軌道交通線中,一些主要城市的軌道交通橋梁結構形式見表1。

從表1可以看出,國內軌道交通橋梁的跨徑通常選用30 m和25 m,橋梁截面形式多采用箱梁,少數采用槽形梁(U梁),結構體系多采用簡支梁,施工方法以現澆居多。

3 截面形式

一般橋梁結構可供選擇的上部結構截面形式主要有箱梁、空心板梁、T形梁、槽形梁等,這幾種結構均可以滿足使用上的要求,并具有各自的特點,因此結構形式的確定還須綜合考慮環境、施工、經濟等因素,因地制宜以求得良好的經濟效益與社會效益[1-5]。

3.1 預應力混凝土箱梁方案(圖1)

預應力混凝土箱梁是目前比較先進且被國內外廣泛采用的橋梁結構形式之一,其建筑高度適中,截面外形簡潔,線形流暢、輕巧、美觀,梁體與圓柱形墩或Y形橋墩配合設計,更顯得結構輕巧簡捷,線條流暢。箱底截面平整,結構占用空間最小,通透性好。同時箱梁結構閉合薄壁截面整體受力性能好,抗扭剛度大,適用性強,在區間的直線、曲線段,均可采用,對于斜彎橋尤為有利。箱梁截面具有良好的動力特性,它的收縮變形數值小,材料用量小,設計與施工技術經驗較成熟。施工方案可采用預制架設法、滿堂支架法、移動模架法。

表1 國內主要城市軌道交通橋梁結構形式一覽

圖1 預應力混凝土箱梁效果圖

3.2 槽形梁方案(圖2)

圖2 預應力混凝土槽形梁效果圖

雙線槽形梁(大U形梁)為混凝土下承式結構。其主要優點是結構建筑高度較低,且兩側的主梁可起到部分隔聲屏障的作用,但對于雙線梁,大U形梁兩側的主梁只對靠近的線路起聲屏障的作用,對另一側的線路隔聲效果較差。大U形梁受力不是很合理,受拉區混凝土即行車道板圬工量大,受壓區混凝土圬工量小,梁體多以受壓區(上翼緣)壓潰為主要特征,不能充分發揮鋼筋及混凝土材料的性能。同時,由于結構為開口截面,結構整體剛度及抗扭性較差。由于車道板位于梁體下翼緣,外力直接作用在車道板上,并通過車道板傳遞給主梁,在縱向與豎向荷載作用下,不僅會產生雙向彎曲和扭轉,而且作為主梁截面的一部分,會產生拉伸式壓縮,它的作用比一般上承式橋梁的車道板要不利得多。同時槽形梁需布置多向預應力筋,現場澆筑混凝土和張拉預應力筋的工作量大,施工復雜,施工進度慢,造價也相對較高。

也有采用一線一槽的形式(小U形梁),線間距及橋梁寬度均需增大,導致橋墩挑臂很長,帽梁需設計成預應力混凝土帽梁,其帽梁的施工將會對橋下交通造成影響。且U形梁的跨越能力較小,在道岔區及30 m以上跨度區實施有困難。

從以上比較可看出,槽形梁雖然梁高較小,景觀較好且能部分起到聲屏障的作用,但其受力不是很合理,整體剛度及抗扭性較差,適用范圍有局限性；箱形梁外形優美,梁高適中,較適于郊外,若配以合適的橋墩,將會是城市中一道靚麗的風景線。因此,推薦單箱梁作為高架區間的主要上部結構形式。在高程受控及對噪聲污染要求較高地段可考慮采用槽形梁。

4 結構體系

結合現有的設計及施工經驗,高架橋梁在一般情況下,除超大跨徑外,目前比較成熟且應用較多的受力體系就是簡支體系或連續體系,2種體系的比較詳見表2。

表2 簡支梁與連續梁體系比較

橋梁在直線段或半徑不小于400 m的曲線簡支梁具有受力簡單明了,箱梁本身及支座和下部結構的設計易于標準化,具有施工便捷,施工周期短,工程造價低,橋型簡潔美觀等優點；連續梁的截面高度較簡支梁低,但考慮混凝土的徐變、基礎的不均勻沉降及溫度等影響,截面剛度不宜減小太多,連續梁的施工比較復雜,預應力張拉的要求高,施工速度較慢。同時,軌道交通高架橋采用無縫線路長鋼軌結構,這種軌道結構會對下部結構產生溫度力、撓曲力、斷軌力和制動力等縱向水平力作用,簡支梁與其他結構形式相比,這些縱向水平力在相鄰各橋墩的分配相對簡單,且比較均勻,這有利于下部結構斷面的統一。基于目前的設計方法與施工經驗,區間標準橋梁采用簡支的結構體系,跨道路、河流等工點結合具體情況采用連續梁等特殊結構。

5 跨徑

5.1 景觀效應

城市軌道交通系統作為一種大運能的公共交通設施,具有快捷、安全、舒適、環保等綜合優勢，目前,很多城市將其作為緩解交通問題的首選方案。而人們在享受著這種新型交通設施給生活和工作帶來的種種便利的同時,對于其所造成的景觀影響問題也存在諸多爭議。高架線路構筑物主要是以水平線條的橋梁和垂直線條的橋柱組成。其中水平方向的橋梁連續貫通,與人和車輛行走中眼睛的移動相順應,具有運動、延伸、增長的意味,有助于視覺環境的簡單化;而垂直線條的橋柱挺拔粗壯,以一定的間隔連續排列,更多的使人產生崇高、緊張、積極的感受,此外,粗壯的橋柱所特有的垂直線條與人慣常的視線移動方向不一致,會對視線起到一定的阻隔作用[6-8]。

標準跨跨徑的選定要滿足人的視覺效果,視線通透、無壓抑感覺。橋墩的排列密度大時,橋梁對于人的側向視線有明顯的屏蔽作用。橋墩的排列密度越小,跨度越大,視線穿過橋梁底部所看到的區域越大。換句話來說,當橋梁的跨度越大時,橋梁對于人的視線遮擋的影響就越小,對于提高視線的通透程度就越有幫助。

人們在遠眺高架橋時,合適的高跨比例給人以平衡、穩定、協調的美感。城市高架道路和軌道交通高架線的實踐表明,這個比例總結為1∶2.4～1∶4。對于墩高10 m的橋梁,25～35 m跨是較合適的。本工程一般橋高約10～15 m,部分橋墩墩高達18 m,推薦選擇35 m的跨徑,較大的跨徑,給人以線條流暢、視野通透、舒適協調的感覺。由于區間基本位于3層高度,墩高較高,若維持梁高不變,增大橋梁跨徑,必將減少橋墩數量、更加通透,使景觀效果更佳。橋下視覺效果見圖3。

圖3 橋下視覺效果示意

5.2 技術經濟指標

結合無錫地鐵2號線沿線的地質情況,對35 m跨度簡支梁與30 m跨度簡支梁做經濟比較。

取210 m長,35 m跨簡支梁可布置6孔,7個下部結構；30 m跨簡支梁可布置7孔,8個下部結構。下部結構取平均墩高14.8 m計,尺寸為2.5 m×2.2 m；承臺尺寸6.5 m×8.5 m×2.5 m,樁基礎為4根φ1.5 m鉆孔灌注樁,樁長取60 m計。詳見表3。

表3 造價比較(現澆梁)

從表3可以看出,35 m跨徑梁與30 m跨徑梁相比,上部結構每延米貴了1 633元,但下部結構由于減少了1個橋墩,每延米便宜了3 358元,綜合造價每延米節省了1 725元。

6 結語

城市軌道交通橋梁標準梁型的設計是一個綜合性課題,首先結構應該合理并且經濟,同時,橋梁結構作為城市的永久性建筑,應綜合考慮橋梁的功能、景觀等因素,并且應與當地的人文景觀融為一體。本文從橋梁景觀、技術經濟、施工方法、截面形式、結構體系等方面分析了城市軌道交通橋梁結構標準梁型的設計,結合無錫地鐵2號線的線位條件和工程地質條件,確定無錫地鐵2號線采用35 m跨度的簡支箱梁作為標準梁型。在國內無錫地鐵2號線是第一個采用35 m跨度簡支箱梁作為標準梁型的城市軌道交通線路。

目前,本項目主體工程已經施工完成,在工程造價和景觀上都達到了預期的效果。

[1] 李國鋒.深圳地鐵高架橋梁結構型式研究[J].山西建筑,2004(18)：216-218.

[2] 肖志祥,吳定俊,賈允祥.軌道交通高架橋梁設計的若干特點[J].城市軌道交通研究,2005(1)：28-31.

[3] 曹玉忠,柳學發.城市軌道交通高架橋特點與設計對策[J].鐵道標準設計,2007(8)：60-63.

[4] 楊鑫.長春輕軌三期工程高架區間橋梁的選型及設計[J].山西建筑,2009(17)：329-330.

[5] 王鳳元,陸元春,吳育芬.U形梁在上海軌道交通8號線中的應用[J].上海建設科技,2009(5)：13-15.

[6] 高山,葛勝錦,潘長平.城市軌道交通高架橋梁景觀設計[J].科技創新導報，2010(18)：151-152.

[7] 唐亞琳.城市軌道交通高架橋的景觀美學設計[J].都市快軌交通，2009(6)：48-52.

[8] 王淑芬,任杰.高架軌道交通對城市景觀的影響及應對措施初探[J].中國勘察設計，2011(2)：57-60.