槽形梁結(jié)構(gòu)在軌道交通中的應(yīng)用與發(fā)展

張 吉,陸元春,吳定俊

(1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系, 上海 200092； 2.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院, 上海 200125)

1 槽形梁結(jié)構(gòu)發(fā)展背景

1.1 特點

相對于傳統(tǒng)形式的高架橋梁,槽形梁應(yīng)用于軌道交通具有以下優(yōu)點：建筑高度低；結(jié)構(gòu)輕巧、美觀；腹板作為隔音屏；內(nèi)側(cè)易于布置各類通訊、電力等設(shè)備；防止列車脫軌；可靈活選用多種施工方案；車站結(jié)構(gòu)可以直接使用高架橋段的主梁設(shè)計；由于列車在槽內(nèi)通行,減小了橫向迎風(fēng)面。

槽形梁利用底板支承軌道及列車,降低軌道高程,可在滿足橋下凈空的前提下使橋梁及車站的高度降低1.5～2 m(圖1)。采用相同坡度會減少引橋長度,既節(jié)約空間又減低造價。列車行駛高度降低,同等抗震要求下降低線路和站臺下部結(jié)構(gòu)的工程量。槽形梁的建筑高度(從軌底到梁底的高度)主要取決于道床板的橫向跨度,與梁的縱向跨度無關(guān),因此當(dāng)縱向跨度越大時,建筑高度的降低越顯著。

圖1 降低視覺遮擋和軌道高度

1.2 分類

槽形梁可分為傳統(tǒng)的槽形斷面以及后來出現(xiàn)的U形斷面。傳統(tǒng)槽形梁應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),直腹板與底板相交處受較大負(fù)彎矩而易開裂,采用斜腹板可改善受力卻導(dǎo)致上口太寬。U形梁則可同時改善上述兩項弊端,其底板與腹板交角較大且光滑過度收攏。單線常采用具有流線型輪廓的U形梁,其車輛荷載和底板跨度約為雙線的一半,降低底板厚度的同時取消底板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束,使結(jié)構(gòu)更加輕巧。雙線線路中心線與橋梁結(jié)構(gòu)中心線有一定偏移,單線行駛時由偏載引起的扭矩不利于其受力；單線梁則二者重合,減少了偏載引起的扭矩。

1.3 應(yīng)用狀況

預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁最早于1952年應(yīng)用于跨度為48.6 m的鐵路橋梁——羅什爾漢橋[1]。斜拉橋上的應(yīng)用紀(jì)錄始于凈跨2×54.87 m的拉英跨線鐵路橋[2]。

槽形梁在軌道交通橋梁中應(yīng)用廣泛：巴黎的13號線在塞納河上采用了跨度為85 m、腹板為矩形、雙層底板的預(yù)應(yīng)力槽形梁；智利的圣地亞哥地鐵4、5號線高架段均為槽形梁；荷蘭鹿特丹[3]的地鐵延伸高架橋中也應(yīng)用了槽形梁；2002年完工的印度新德里的地鐵3號線中,長達(dá)21 km的高架段采用槽形梁。

1990年瑞士建成里茲跨隆河公路橋,采用變高度槽形梁結(jié)構(gòu),跨度達(dá)到143 m[4]。澳大利亞于2003年建成總長為430 m的索雷爾大橋[5]。

我國槽形梁的研究始于20世紀(jì)70年代末期。20世紀(jì)80年代初期,在懷柔跨京豐公路和通縣跨京承線相繼建造了1孔跨度為20 m 雙線槽形梁橋和2孔跨度為24 m的單線槽形梁橋。如今,槽形梁在上海地鐵8號線、南京地鐵2號線、重慶地鐵1號線、廣州地鐵2號線、臺北內(nèi)湖的木柵線延伸段等工程中均得到應(yīng)用。

2 設(shè)計參數(shù)

2.1 國外

2.1.1 迪拜地鐵輕軌高架段

迪拜地鐵輕軌高架段主梁采用預(yù)制節(jié)段后張預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁。其斷面如圖2所示,梁高2.04 m,直線段寬10.18 m,曲線段寬10.5 m；由邊緣到中心,底板厚度由24 cm漸變到32 cm；上翼緣寬1.7 m,厚0.2～0.4 m。該橋采用架橋機(jī)拼裝、整孔架設(shè),標(biāo)準(zhǔn)跨徑有28、32、36 m三種。標(biāo)準(zhǔn)段、車站跨段、44 m跨采用不同級別的混凝土,分別為50、60、70 MPa。4 m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段重60 t,單片36 m跨徑的梁重540 t[6-8]。

圖2 典型主梁斷面——迪拜地鐵(單位:mm)

該橋大部分橋墩為圓柱形鋼筋混凝土獨柱墩配以懸臂墩帽,頂部設(shè)置2個支座。一些特殊位置的橋墩采用門式墩。在橋面板內(nèi)設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力束,預(yù)應(yīng)力束采用12φ15.2 mm的鋼絞線,單端張拉。由于主梁采用槽形截面,在受力時具有受扭性能較差、橋面板彎矩受縱梁扭轉(zhuǎn)剛度影響較大、縱梁腹板下端承受垂直方向吊拉力影響較大等特點。

2.1.2 澳大利亞新索雷爾大橋

為替代因氯鹽侵蝕而嚴(yán)重破損的舊橋,2003年在原位處建成了總長為460 m的新索雷爾大橋(new Sorell Causeway Bridge),使澳大利亞成為繼美國、法國以后第三個建造節(jié)段預(yù)制槽形梁公路橋的國家。該橋由18段跨徑為25.5 m的簡支梁組成,各跨間無高差、無縱曲線。

圖3為新索雷爾大橋的典型主梁截面,橫橋向總寬度為15.005 m。橋面包含2條交通線路(各3.5 m)、1條引水總管路、1條非機(jī)動車與行人公用道(2.51 m),兩側(cè)路肩寬度均為1 m。截面面積為5.45 m2,彎曲剛度為4.1×107kN·m2。

圖3 典型主梁斷面——新索雷爾大橋(單位:cm)

主梁采用低水灰比高性能混凝土,拌有高劑量硅粉以降低收縮效應(yīng),減少表面氯離子侵入。橋面板混凝土添加鈣硝酸鹽腐蝕抑制劑,并有選擇地在特殊位置使用不銹鋼。

采用節(jié)段預(yù)制拼裝。每個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長2.55 m,質(zhì)量為46 t,施工時先由翼緣外側(cè)的臨時鋼梁支撐、鋼梁將力傳遞到橋墩上。橋墩采用雙柱式矩形柱。該橋設(shè)計車速為80 km/h,平均每天通過700輛質(zhì)量為50 t的卡車,設(shè)計車輛活載根據(jù)M1600布載。設(shè)計年限為100年。

2.2 國內(nèi)

2.2.1 上海市軌道交通6號線

上海市軌道交通6號線高架段主梁斷面如圖 4所示。結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計,在施工過程中一次落架,無體系轉(zhuǎn)換。橋墩采用雙柱式矩形柱,頂部設(shè)聯(lián)系梁,兩柱頂分別直接設(shè)支座。采用后張法對槽形梁施加縱橫向雙向預(yù)應(yīng)力[9]。二期恒載考慮為89.6 kN/m；設(shè)計車速為80 km/h；地鐵車輛采用軌道交通C型車,4輛編組,重車時軸重140 kN,空車時按70 kN[10]；沖擊系數(shù)取1.24,同時需要對線路通過的重型設(shè)備運輸車輛荷載進(jìn)行驗算。查閱相關(guān)資料可知,橋跨結(jié)構(gòu)跨中腹板豎向撓度(考慮列車沖擊效應(yīng))理論計算值為f=5.37 mm,實測最大值為f=5.01 mm,動撓跨比1/5 768[11]。

為滿足構(gòu)造和強(qiáng)度的要求在底板下方設(shè)置橫梁。后續(xù)研究表明,該橫梁對減噪有明顯的效果。

圖4 典型主梁斷面——上海市軌道交通6號線(單位:cm)

2.2.2 上海市軌道交通8號線

上海市軌道交通8號線南延伸段高架段主梁斷面如圖 5所示。該槽形梁最大特色是將腹板設(shè)計成弧面,厚度僅為24 cm,腹板與道床板相交處也作了平滑過渡處理,采用預(yù)制架設(shè)法施工。標(biāo)準(zhǔn)梁段跨度為30 m(梁段長29.94 m),計算跨度為28.8 m。梁體采用C55混凝土,單片梁質(zhì)量155 t。

橋墩為T形墩,墩帽上雙線,每線下2排支座,共4排。采用后張法施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力鋼筋為高強(qiáng)鋼絞線。二期恒載考慮為27.85 kN/m；設(shè)計車速為80 km/h；抗震設(shè)防烈度為7度,基本地震加速度為0.10g。實測橋跨結(jié)構(gòu)跨中道床板中心豎向最大撓度f=7.91 mm。梁跨結(jié)構(gòu)腹板豎向撓度最大值為f=7.59 mm,動撓跨比1/3 794。橋梁結(jié)構(gòu)豎向基頻為3.2 Hz,橫向基頻為2.2 Hz。應(yīng)力動力系數(shù)為1.08,位移動力系數(shù)為1.01。

圖5 典型主梁截面——上海市軌道交通8號線(單位:mm)

2.2.3 上海市軌道交通16號線

圖6 典型主梁斷面——上海市軌道交通16號線(單位:mm)

上海市軌道交通16號線高架段主要采用預(yù)制簡支槽形梁,均為法國SYSTRA公司設(shè)計,是國內(nèi)首次采用大噸位預(yù)應(yīng)力先張法預(yù)制的輕型薄壁結(jié)構(gòu)槽形梁，主梁截面如圖 6所示。采用整孔預(yù)制,梁上運梁,整體吊裝的方法施工。標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制梁跨徑分為25,30,35 m 3種,以30 m為主,采用C55混凝土,其各自的單片梁質(zhì)量分別為143,172.5,204.7 t。下部結(jié)構(gòu)為獨柱隱形蓋梁式橋墩。列車采用舒適型A型車,定員204人/列,最高運營速度為120 km/h[12]。

2.2.4 南京市軌道交通2號線

南京市軌道交通2號線東延高架線主要有3段線路采用槽形梁截面,均采用單線小U形結(jié)構(gòu),每跨下設(shè)4個支座。梁體基本外形尺寸如圖7所示,兩側(cè)腹板采用一側(cè)為圓弧、一側(cè)為直線折斜腹式的不對稱結(jié)構(gòu),其橫向、豎向均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),縱向為單向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。采用整孔預(yù)制吊裝的施工方法。跨徑有18,25,26 m 3種,其中還包括變截面梁、加寬梁和漸寬梁等各種非標(biāo)準(zhǔn)梁。對于跨度為25 m的梁段,梁長度為24.9 m,計算跨徑為23.8 m。各段線路混凝土強(qiáng)度等級均為C55,25 m跨單片梁質(zhì)量155 t[13]。

圖7 典型主梁斷面——南京市軌道交通2號線(單位:mm)

下部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橋墩采用T形橋墩, 鉆孔樁基礎(chǔ),并設(shè)置雙支座。縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用鋼絞線,用自錨式拉絲體系錨固,采用夾片式錨具。預(yù)應(yīng)力鋼筋選用74束7×φ5 mm的鋼絞線,極限抗拉強(qiáng)度1 860 MPa,直線配筋,采用后張法施加預(yù)應(yīng)力。二期恒載按33.7 kN/m的情況設(shè)計；地鐵列車荷載根據(jù)四動兩拖車編組設(shè)計,并考慮動力系數(shù)的影響,沖擊系數(shù)取1.18。最高行車速度按80 km/h計。梁體跨中豎向撓度為16.21 mm,扣除二期恒載引起的撓度3.89 mm后為12.32 mm,動撓跨比為1/2 338。活載沖擊系數(shù)為1.18,由靜活載引起的撓度為12.32/1.18=10.45 mm。

2.2.5 廣州市軌道交通2號線

廣州市軌道交通2號線高架段梁體基本外形尺寸如圖8所示。梁全長24.9 m,計算跨徑為24.4 m,混凝土等級為C50。

圖8 典型主梁斷面——廣州市軌道交通2號線(單位:mm)

單片主梁下設(shè)4個支座,沿梁橫向支座中心距為4.3 m。縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均為直線束,選用74束7φ5 mm低松弛鋼絞線,極限抗拉強(qiáng)度1 860 MPa,單端張拉,張拉錨下控制應(yīng)力1 395 MPa。最高運營速度80 km/h；地鐵列車軸重160 kN,按6節(jié)車輛編組；二期恒載取為21.5 kN/m；結(jié)構(gòu)自重1 340 kN；地震力按7度設(shè)防；設(shè)計時按10%的列車垂直荷載水平縱向均布于全梁設(shè)計[14]。試驗所得的跨中最大撓度為16.5 mm,支座最大轉(zhuǎn)角為0.000 716 rad；ANSYS軟件計算所得的跨中最大撓度為11.00 mm,支座最大轉(zhuǎn)角為0.000 814 rad[15]。

2.2.6 小結(jié)

槽形梁在我國屬于一種較為新型的結(jié)構(gòu),設(shè)計經(jīng)驗在不斷積累。隨著該結(jié)構(gòu)在軌道交通高架橋中的不斷推廣,相關(guān)設(shè)計也應(yīng)在參考先例的基礎(chǔ)上不斷完善。已建軌道交通槽形梁的設(shè)計資料見表1、表2。

表1 國內(nèi)軌道交通槽形梁設(shè)計資料概覽

表2 國內(nèi)軌道交通槽形梁設(shè)計資料概覽(續(xù))

3 施工工藝

3.1 主梁制作

槽形梁有多種施工方法,除了就地澆筑的以外,還有裝配式或拖拉就位式。例如,日本的中川橋槽形梁跨施工時先建造主梁,然后將模型板吊掛在主梁上,再灌注橋面板混凝土。這種方法適用于保持橋下凈空而不能安裝滿堂支架的情況。此外,還可以先預(yù)制橫梁,主梁現(xiàn)澆,如日本山平線大崎跨線橋展寬工程,就是在4條并列運營線下修建40 m寬的公路。槽形梁施工時,先將預(yù)制橫梁安裝于軌道下,然后在線路兩側(cè)制成主梁,并與橫梁接成整體,最后開挖橋下土方,修建公路。這種方法適用于運營線路上的施工。美國的一座槽形梁橋采用將單獨預(yù)制的橋面板和兩側(cè)箱梁通過橫向壓力組成一個整體的施工方法。此外,也有整體結(jié)構(gòu)在橋位附近造好后,再采用縱拖或橫移的。

3.2 全橋施工

目前公路或者鐵路典型跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁常用的施工方法主要有：逐孔現(xiàn)澆、整孔吊裝、半孔預(yù)制拼裝、預(yù)制節(jié)段拼裝。這些施工方法可以分為現(xiàn)場澆筑和預(yù)制兩大類。

3.2.1 逐孔現(xiàn)澆

逐孔現(xiàn)澆施工法可細(xì)分為移動支架法和滿堂支架法2種。

(1)移動支架

使用移動支架逐孔現(xiàn)澆施工,可免去大型運輸和吊裝設(shè)備,橋梁整體性好,同時它又具有工廠化預(yù)制生產(chǎn)的特點,可提高機(jī)械設(shè)備的利用率和生產(chǎn)效率。

(2)滿堂支架

滿堂支架施工法雖對城市的環(huán)境影響較大,但因其較為簡便,在城市高架橋的建造中亦有較多應(yīng)用。上海軌道交通6號線即采用此法。單跨槽形梁混凝土必須一次性整體澆筑,若梁段較長,可采用2臺輸送泵由跨中至兩端同時推進(jìn)。為減少施工過程中的非結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn),可在混凝土中添加聚丙烯纖維。

3.2.2 整孔吊裝

隨著起重能力的增強(qiáng),橋梁預(yù)制構(gòu)件不斷向大型化方向發(fā)展,高效的逐孔施工方法得到更多應(yīng)用。上海市軌道交通8號線、16號線以及南京市軌道交通2號線均采用此方法進(jìn)行槽形梁橋施工。對比這些工程實例,可進(jìn)一步按預(yù)制梁從存梁場到橋位的運輸方法細(xì)分為：路上運梁法(上海市軌道交通8號線),梁上運架梁法(上海市軌道交通16號線)。

3.2.3 半孔預(yù)制拼裝

為解決從Beer Sheba鎮(zhèn)(以色列)至Ramat Hovav化學(xué)處置場的單軌貨運線跨越Beer Sheba鎮(zhèn)和25號公路的問題,在Beer Sheba鎮(zhèn)建造了2座鐵路橋。其中,跨越小鎮(zhèn)段為總長215 m的9跨結(jié)構(gòu),跨公路為總長90 m的4跨結(jié)構(gòu)。兩部分均采用24.9 m或20.0 m的標(biāo)準(zhǔn)梁段和相同的橋墩[16]。

由于架設(shè)條件的限制,主梁被分成了左右2塊對稱的“L”形預(yù)制先張預(yù)應(yīng)力梁。通過在兩者之間現(xiàn)澆混凝土,結(jié)合橫向后張預(yù)應(yīng)力的方式形成最終的整體結(jié)構(gòu)。每一對L形梁在橋位附近預(yù)制,單片梁質(zhì)量150 t,具體施工步驟如下。

(1)現(xiàn)場澆筑L形梁,為了減輕自重,下翼緣填充聚苯乙烯塊,不過需在澆筑混凝土?xí)r注意防止聚苯乙烯塊的上浮。

(2)兩端同時張拉預(yù)應(yīng)力,在L形梁中預(yù)埋橫向預(yù)應(yīng)力筋的鋼管管道。L形預(yù)制梁段預(yù)應(yīng)力張拉完畢后吊裝到位。

(3)在將各預(yù)制梁成對放于設(shè)計位置后,在預(yù)制梁下放置支座以提供臨時支撐,梁頂部設(shè)置臨時橫向連接,并與橋墩臨時固結(jié)以防止意外側(cè)傾。這些橫向連接在最后的主梁連接完成后才能拆除,連接措施包括現(xiàn)澆混凝土底板和張拉橫向預(yù)應(yīng)力。現(xiàn)澆混凝土嚴(yán)格按照主梁的圓弧拱腹線形進(jìn)行澆筑,并預(yù)制梁段完美貼合。張拉橫向預(yù)應(yīng)力時,因預(yù)應(yīng)力鋼絞線的曲率偏小會導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的預(yù)應(yīng)力損失,故采用管道潤滑劑來減少這種損失。橫向預(yù)應(yīng)力提供了所需的橫向抗彎、剪能力,同時增強(qiáng)了上部結(jié)構(gòu)的整體性。

3.2.4 預(yù)制節(jié)段拼裝

當(dāng)跨徑較大,整孔吊裝有困難時,可采用先節(jié)段預(yù)制再現(xiàn)場拼裝的方法。例如印度新德里地鐵3號線、智利圣地亞哥地鐵4號線。

4 槽形梁存在問題和今后發(fā)展展望

目前，槽形梁在城市軌道交通中得到較多的應(yīng)用,但在使用過程中也暴露了存在的一些問題,主要表現(xiàn)在：

U形梁優(yōu)化后,梁體質(zhì)量大幅度降低,但質(zhì)量小的U形梁動力性能不佳。某些既有線路的使用中發(fā)現(xiàn),固定在腹板上的架設(shè)輸電線路的接觸管柱受結(jié)構(gòu)振動影響,其固定螺栓經(jīng)常發(fā)生松動,導(dǎo)致供電系統(tǒng)不穩(wěn)定,增加維護(hù)的工作量并影響列車的正常運營和行車安全。

降噪效果并不明顯。原先認(rèn)為下承U形梁可以大大遮擋列車運營時輪軌發(fā)出的噪聲；運營情況表明,雖然輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲受到腹板的一定遮擋,但結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪聲明顯增加。既有線路的測試顯示,采用槽形梁的線路產(chǎn)生的噪聲比箱梁大。

梁體懸臂端部鋼軌扣件螺栓產(chǎn)生松動,影響行車安全,增加養(yǎng)護(hù)工作量。扣件螺栓松動和梁端懸臂長度、剛度以及采用扣件的類型有關(guān),這已經(jīng)引起有關(guān)部門的重視。

目前槽形梁急需解決的問題是在優(yōu)化槽形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時,注意開展其動力性能的研究以明確振動問題,減小槽形梁振動產(chǎn)生的不利影響。同時完善槽形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參數(shù)的研究,完善適合槽形梁設(shè)計的相關(guān)設(shè)計規(guī)范條文。

分析槽形梁結(jié)構(gòu)噪聲特點及其產(chǎn)生的機(jī)理,提出噪聲防治的設(shè)計方案。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲大部分屬于低頻噪聲,傳播距離較遠(yuǎn),對周邊環(huán)境影響不可低估。初步研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的槽形梁結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能較好,但優(yōu)化后的U形梁聲學(xué)性能較差,這說明槽形梁優(yōu)化時除了滿足強(qiáng)度、剛度、耐久性等問題外還要注意結(jié)構(gòu)噪聲的問題,這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個新課題。

城市中的土建施工,工廠化和新型高效的施工工藝是非常重要的,因此，進(jìn)一步在槽形梁建設(shè)中研究和推廣節(jié)段拼裝法和整孔吊裝法施工工藝也是非常必要的。

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