槽形梁結構在軌道交通中的應用與發展

張 吉,陸元春,吳定俊

(1.同濟大學橋梁工程系, 上海 200092； 2.上海市城市建設設計研究院, 上海 200125)

1 槽形梁結構發展背景

1.1 特點

相對于傳統形式的高架橋梁,槽形梁應用于軌道交通具有以下優點：建筑高度低；結構輕巧、美觀；腹板作為隔音屏；內側易于布置各類通訊、電力等設備；防止列車脫軌；可靈活選用多種施工方案；車站結構可以直接使用高架橋段的主梁設計；由于列車在槽內通行,減小了橫向迎風面。

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構的工程量。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,因此當縱向跨度越大時,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

槽形梁可分為傳統的槽形斷面以及后來出現的U形斷面。傳統槽形梁應用中發現,直腹板與底板相交處受較大負彎矩而易開裂,采用斜腹板可改善受力卻導致上口太寬。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應力鋼束,使結構更加輕巧。雙線線路中心線與橋梁結構中心線有一定偏移,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 應用狀況

預應力混凝土槽形梁最早于1952年應用于跨度為48.6 m的鐵路橋梁——羅什爾漢橋[1]。斜拉橋上的應用紀錄始于凈跨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、雙層底板的預應力槽形梁；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用了槽形梁；2002年完工的印度新德里的地鐵3號線中,長達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構,跨度達到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70年代末期。20世紀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、臺北內湖的木柵線延伸段等工程中均得到應用。

2 設計參數

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制節段后張預應力混凝土槽形梁。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。該橋采用架橋機拼裝、整孔架設,標準跨徑有28、32、36 m三種。標準段、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的標準節段重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,頂部設置2個支座。一些特殊位置的橋墩采用門式墩。在橋面板內設置縱向預應力束,預應力束采用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段預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條非機動車與行人公用道(2.51 m),兩側路肩寬度均為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,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。

采用節段預制拼裝。每個標準節段長2.55 m,質量為46 t,施工時先由翼緣外側的臨時鋼梁支撐、鋼梁將力傳遞到橋墩上。橋墩采用雙柱式矩形柱。該橋設計車速為80 km/h,平均每天通過700輛質量為50 t的卡車,設計車輛活載根據M1600布載。設計年限為100年。

2.2 國內

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。結構按全預應力混凝土構件進行設計,在施工過程中一次落架,無體系轉換。橋墩采用雙柱式矩形柱,頂部設聯系梁,兩柱頂分別直接設支座。采用后張法對槽形梁施加縱橫向雙向預應力[9]。二期恒載考慮為89.6 kN/m；設計車速為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]；沖擊系數取1.24,同時需要對線路通過的重型設備運輸車輛荷載進行驗算。查閱相關資料可知,橋跨結構跨中腹板豎向撓度(考慮列車沖擊效應)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]。

為滿足構造和強度的要求在底板下方設置橫梁。后續研究表明,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,采用預制架設法施工。標準梁段跨度為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。采用后張法施加預應力,預應力鋼筋為高強鋼絞線。二期恒載考慮為27.85 kN/m；設計車速為80 km/h；抗震設防烈度為7度,基本地震加速度為0.10g。實測橋跨結構跨中道床板中心豎向最大撓度f=7.91 mm。梁跨結構腹板豎向撓度最大值為f=7.59 mm,動撓跨比1/3 794。橋梁結構豎向基頻為3.2 Hz,橫向基頻為2.2 Hz。應力動力系數為1.08,位移動力系數為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制簡支槽形梁,均為法國SYSTRA公司設計,是國內首次采用大噸位預應力先張法預制的輕型薄壁結構槽形梁，主梁截面如圖 6所示。采用整孔預制,梁上運梁,整體吊裝的方法施工。標準預制梁跨徑分為25,30,35 m 3種,以30 m為主,采用C55混凝土,其各自的單片梁質量分別為143,172.5,204.7 t。下部結構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形結構,每跨下設4個支座。梁體基本外形尺寸如圖7所示,兩側腹板采用一側為圓弧、一側為直線折斜腹式的不對稱結構,其橫向、豎向均為普通鋼筋混凝土結構,縱向為單向預應力結構。采用整孔預制吊裝的施工方法。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準梁。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。各段線路混凝土強度等級均為C55,25 m跨單片梁質量155 t[13]。

圖7 典型主梁斷面——南京市軌道交通2號線(單位:mm)

下部結構標準橋墩采用T形橋墩, 鉆孔樁基礎,并設置雙支座。縱向預應力鋼筋采用鋼絞線,用自錨式拉絲體系錨固,采用夾片式錨具。預應力鋼筋選用74束7×φ5 mm的鋼絞線,極限抗拉強度1 860 MPa,直線配筋,采用后張法施加預應力。二期恒載按33.7 kN/m的情況設計；地鐵列車荷載根據四動兩拖車編組設計,并考慮動力系數的影響,沖擊系數取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4個支座,沿梁橫向支座中心距為4.3 m。縱向預應力鋼束均為直線束,選用74束7φ5 mm低松弛鋼絞線,極限抗拉強度1 860 MPa,單端張拉,張拉錨下控制應力1 395 MPa。最高運營速度80 km/h；地鐵列車軸重160 kN,按6節車輛編組；二期恒載取為21.5 kN/m；結構自重1 340 kN；地震力按7度設防；設計時按10%的列車垂直荷載水平縱向均布于全梁設計[14]。試驗所得的跨中最大撓度為16.5 mm,支座最大轉角為0.000 716 rad；ANSYS軟件計算所得的跨中最大撓度為11.00 mm,支座最大轉角為0.000 814 rad[15]。

2.2.6 小結

槽形梁在我國屬于一種較為新型的結構,設計經驗在不斷積累。隨著該結構在軌道交通高架橋中的不斷推廣,相關設計也應在參考先例的基礎上不斷完善。已建軌道交通槽形梁的設計資料見表1、表2。

表1 國內軌道交通槽形梁設計資料概覽

表2 國內軌道交通槽形梁設計資料概覽(續)

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,還可以先預制橫梁,主梁現澆,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,先將預制橫梁安裝于軌道下,然后在線路兩側制成主梁,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制的橋面板和兩側箱梁通過橫向壓力組成一個整體的施工方法。此外,也有整體結構在橋位附近造好后,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應力混凝土橋梁常用的施工方法主要有：逐孔現澆、整孔吊裝、半孔預制拼裝、預制節段拼裝。這些施工方法可以分為現場澆筑和預制兩大類。

3.2.1 逐孔現澆

逐孔現澆施工法可細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澆施工,可免去大型運輸和吊裝設備,橋梁整體性好,同時它又具有工廠化預制生產的特點,可提高機械設備的利用率和生產效率。

(2)滿堂支架

滿堂支架施工法雖對城市的環境影響較大,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。為減少施工過程中的非結構裂縫的出現,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,橋梁預制構件不斷向大型化方向發展,高效的逐孔施工方法得到更多應用。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行槽形梁橋施工。對比這些工程實例,可進一步按預制梁從存梁場到橋位的運輸方法細分為：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 半孔預制拼裝

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

由于架設條件的限制,主梁被分成了左右2塊對稱的“L”形預制先張預應力梁。通過在兩者之間現澆混凝土,結合橫向后張預應力的方式形成最終的整體結構。每一對L形梁在橋位附近預制,單片梁質量150 t,具體施工步驟如下。

(1)現場澆筑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時注意防止聚苯乙烯塊的上浮。

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

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

3.2.4 預制節段拼裝

當跨徑較大,整孔吊裝有困難時,可采用先節段預制再現場拼裝的方法。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展展望

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

U形梁優化后,梁體質量大幅度降低,但質量小的U形梁動力性能不佳。某些既有線路的使用中發現,固定在腹板上的架設輸電線路的接觸管柱受結構振動影響,其固定螺栓經常發生松動,導致供電系統不穩定,增加維護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。原先認為下承U形梁可以大大遮擋列車運營時輪軌發出的噪聲；運營情況表明,雖然輪軌系統產生的噪聲受到腹板的一定遮擋,但結構振動產生的噪聲明顯增加。既有線路的測試顯示,采用槽形梁的線路產生的噪聲比箱梁大。

梁體懸臂端部鋼軌扣件螺栓產生松動,影響行車安全,增加養護工作量。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,這已經引起有關部門的重視。

目前槽形梁急需解決的問題是在優化槽形梁結構設計的同時,注意開展其動力性能的研究以明確振動問題,減小槽形梁振動產生的不利影響。同時完善槽形梁結構設計主要參數的研究,完善適合槽形梁設計的相關設計規范條文。

分析槽形梁結構噪聲特點及其產生的機理,提出噪聲防治的設計方案。結構產生的噪聲大部分屬于低頻噪聲,傳播距離較遠,對周邊環境影響不可低估。初步研究發現,傳統的槽形梁結構聲學性能較好,但優化后的U形梁聲學性能較差,這說明槽形梁優化時除了滿足強度、剛度、耐久性等問題外還要注意結構噪聲的問題,這是結構設計的一個新課題。

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，進一步在槽形梁建設中研究和推廣節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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