城市軌道交通U型梁高架系統關鍵技術研究及創新

楊秀仁

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

城市軌道交通U型梁高架系統關鍵技術研究及創新

楊秀仁

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

結合我國城市軌道交通高架線的應用和發展瓶頸分析，介紹作者及其團隊在U型梁高架系統新技術研發和應用方面所取得的主要成果，包括U型梁結構技術、綜合降噪技術、與軌道交通各系統的一體化融合技術、施工技術以及技術經濟性等內容。以U型梁結構為載體，集成了完備的設計理論和計算方法、減振降噪、節能環保、造型美觀、橋面系功能完善、車輛運行安全防護、施工便捷、工期短、顯著的經濟性等諸多優勢，構筑了新一代環境友好型軌道交通高架系統。U型梁高架系統新技術的應用，對促進我國城市軌道交通高架線的健康和可持續發展起到了重要的作用。

城市軌道交通；高架線；U型梁；開口薄壁構件；降噪技術

1 城市軌道交通高架線應用和發展瓶頸

當前,我國的城市軌道交通運營線路已達3 155 km，其中地下線超過80%以上，而高架線不足20%，盡管高架線在工程造價(僅為地下線的1/3～1/2)、運營能耗、施工安全、建設效率和速度等多方面具有絕對的優勢，然而高架線的應用卻受到極大的限制，發展比例嚴重失調[1]。導致這一現象的主要原因，首先是高架線路的車輛運行噪聲對沿線環境存在一定的影響，通常情況下需要設置不同形式的聲屏障；其次是以箱型梁為主的傳統高架線，基本為上承式結構，視覺體量大，景觀效果差，尤其在設置聲屏障后，龐大的高架橋體量對城市景觀的影響更大。因此，以上因素構成制約城市軌道交通高架線應用和發展的瓶頸。目前，我國城市軌道交通正處于高速發展期，尤其是中等城市或市郊線路，選線矛盾十分突出，研發新一代環境友好型的高架軌道交通體系勢在必行。

2 U型梁系統的優點

預應力鋼筋混凝土U型梁為開口薄壁下承式橋梁結構，列車在U形槽內行駛，腹板結構可起到聲屏障作用，能有效阻隔輪軌噪聲，且無空腔混響二次噪聲危害；同時U型梁建筑高度小，軌道臥于槽內，軌頂標高可降低約1.5 m，不僅使高架線建筑整體高度比傳統高架線降低1/3，有效改善了景觀效果，而且使線路縱坡得到優化，改善了列車運行條件，更加節能環保；除此之外，U型梁腹板還可兼做欄板、疏散平臺、牽引網立柱基礎等，使橋上附屬結構成為主體梁結構的一部分，二期恒載減少約30%，梁體自重減少約15%，使造價更低，并可有效減少建造工序，縮短建設工期，減少維護環節和費用；U型梁外側腹板結構可防止脫軌列車翻落，提高行車安全性。

3 國內外研究及應用現狀

U型梁主要有雙線大U型梁和單線小U型梁兩種形式，國外采用的基本是雙線大U型梁系統，如印度、迪拜、韓國和智利等國家的城市軌道交通均有應用。在阻隔噪聲方面，單線小U型梁優于大U型梁系統，但無論何種形式，對于U型梁的降噪效果研究以及開口薄壁構件的彎剪扭力學性能研究尚屬空白。圖1為箱型梁、U型梁結構斷面示意。

圖1 箱型梁、U型梁結構斷面

目前，我國對U型梁的研究和應用尚處于起步階段，面臨一系列重大技術難題，主要包括結構設計理論和計算方法、降噪技術、與軌道交通多系統的融合技術、施工技術以及技術經濟性等問題，尤其對于開口薄壁構件的抗彎剪扭性能這一國際性難題，我國業界存在較大的疑慮，各類規范均未涉及。筆者依托南京軌道交通2號線東延線工程，率先開展了城市軌道交通U型梁系統綜合技術研究，通過8項專題研究和15項試驗、監測研究，形成了一系列U型梁高架系統新技術成果，最終推廣應用并全面實現產業化。

4 U型梁系統綜合技術研究及創新

4.1 U型梁結構力學行為理論及試驗

國內外首次對U型梁的彎剪扭、溫度場、疲勞及裂縫控制、靜力和動力特性、穩定性等方面進行了全面深入的研究，提出了完整的設計理論、計算方法和相關設計指標，并通過了靜、動載試驗的驗證，全面突破了開口薄壁U型梁在設計應用中的技術瓶頸，為軌道交通高架線提供了一種全新的結構形式，為全面提升高架線的降噪、節能和景觀水平提供了安全可靠的技術保障。

1) 提出了U型梁開口薄壁構件截面抗彎剪扭計算方法和承受扭轉荷載時的極限承載力計算方法，推導出相應的計算公式，并進行了扭轉試驗驗證(2片U型梁縮尺試驗)，解決了開口薄壁構件彎剪扭力學性能研究的國際性難題。

2) 開展了U型梁溫度場和溫度效應研究[2]，對實體U型梁的溫度場進行了一年半的長期監測，對監測數據進行分析、計算和研究，提出了U型梁溫度效應計算方法。

3) 對U型梁行車道板進行了1 000萬次鋼筋混凝土梁和600萬次纖維混凝土梁疲勞荷載下的縱向裂縫試驗研究(2片足尺疲勞試驗)，提出了行車道板疲勞荷載及裂縫控制指標，確定了合理的配筋原則和構造措施。

4) 開展了U型梁靜力特性分析與試驗研究[3-4]，進行了靜載破壞試驗、變形和應力監測試驗(1片25 m足尺靜載破壞試驗、2片運營條件下的變形和應力監測試驗)，提出了靜力設計計算方法和設計技術要點。表1為理論計算值與試驗值對比。

表1 理論計算值與試驗值對比

5) 開展了U型梁車-橋耦合動力響應分析研究及現場動載試驗(4片梁在運營條件下的動載試驗)，掌握了U型梁的動力特性規律，提出了設計指標，并對車輛走行性做出分析和評估。

6) 進行了U型梁開口薄壁結構整體穩定性和局部穩定性研究，掌握了U型梁失穩規律，確定了驗算U型梁穩定性的設計方法。

4.2 U型梁綜合降噪技術

城市軌道交通的輪軌噪聲是列車運行時的主要噪聲源，國內外首次以U型梁為載體，對軌道交通高架線進行了系統的降噪技術研究，將聲學模擬計算與高架橋結構設計相結合，改變了傳統的降噪方法，提出了創新的U型梁結構斷面以及由腹板隔聲、挑檐隔聲、吸聲調整塊和腹板吸聲組成的綜合降噪系統，形成了對車輛輪軌噪聲的天然屏障，對近、遠輪軌噪聲均具有很好的屏蔽作用，且無空腔混響引起的二次結構噪聲，通過理論分析和對比測試驗證，在同等條件下與傳統梁相比，綜合降噪效果非常顯著，實現了高架線降噪技術的重大突破，并開辟了嶄新的降噪技術方向[5]。

1) 在充分研究高架線噪聲源特點以及噪聲治理現狀的基礎上，通過橋梁結構與聲學耦合降噪機理、模擬計算、產品研發及實測試驗等多方面的綜合技術研究，提出了環保型U型梁結構，其主要降噪關鍵技術有[4]：①軌道臥于U型槽內，1.5 m高的腹板是天然的聲屏障結構，具有明顯的隔離噪聲作用；②腹板上部折向車體一側的挑檐，減小了腹板與車體噪聲源的距離，相當于增加了遮擋噪聲的等效高度，有效提高了降噪效果；③創造性地提出了吸聲調整塊的概念，并研發了吸聲調整塊產品，在車輛與挑檐之間設置吸聲調整塊，進一步將聲源包裹屏蔽，提高了降噪效果；④在U型梁腹板內側貼吸聲材料，進一步提高了降噪效果；⑤單線小U型梁相當于在兩線之間設置了天然屏障，對上、下行輪軌噪聲具有很好的屏蔽作用。圖2為典型U型梁斷面示意。

圖2 典型U型梁斷面

2) 采用傳統的模型計算分析方法和國際先進的SOUNDPLAN聲學模擬分析軟件，對各種梁型結構的降噪效果進行分析，理論研究表明：U型梁裸梁降噪效果與傳統梁設置的3 m高聲屏障相當，降噪量可達6 dB；設置吸聲調整塊后，U型梁降噪效果與傳統梁設置的半封閉聲屏障相當，可進一步提高降噪量，可達到12 dB；U型梁腹板內側貼吸聲材料后，降噪效果可再提高1 dB。

3) 通過開展U型梁與北京、南京地鐵傳統梁的列車噪聲對比測試與分析[5]，測試結果表明：與箱型梁裸梁比較，U型梁裸梁列車噪聲值低5～11 dB，平均低8 dB；與T型梁裸梁比較，列車噪聲值低8 dB，且列車速度越高，降噪效果越明顯；與設1.5 m高隔聲護欄板的箱型梁比較，U型梁裸梁列車噪聲值低3～4.6 dB，平均低3.8 dB。表2為不同條件下U型梁系統降低噪聲效果匯總。

表2 不同條件下U型梁系統降低噪聲效果匯總 dB

注：括弧內為平均值。

4.3 與軌道交通各系統一體化

針對U型梁結構特點，國內外首次就U型梁結構與建筑、限界、軌道、供電、通信信號、疏散、軌旁及橋上附屬結構等軌道交通各系統進行了一體化技術研究，形成了一系列關鍵技術成果[4]，使U型梁高架線在滿足功能的基礎上，更加造型美觀、節能環保，安全可靠、經濟合理，形成了極具特色和典型代表性的新一代軌道交通高架線系統，實現了軌道交通高架線技術水平的整體提升和飛躍。

1) 提出了內腹板弧線型、外腹板折線型的斷面設計造型，運用建筑美學的理念，立足于橋、人和環境3個角度，依據宏觀構景、中觀造勢、近觀顯巧的景觀設計原則，使U型梁的橋跨凈空、立面造型、涂裝色彩與街景空間和城市景觀充分融合，形成了U型梁特有的簡潔明快、纖細挺拔、連續流暢的景觀效果(見圖3)。

圖3 U型梁高架線實景

2) 結合U型梁的斷面特點，就橋上設備系統進行融合研究，充分利用U型梁主體腹板和上翼緣結構兼作橋梁欄板、緊急疏散平臺、牽引網和電纜橋架立柱等，使橋上附屬結構成為主體梁結構的一部分，有效減少了整體工程的建造工序，提高了使用壽命，并減少了維護環節和費用；充分利用U型槽內部和翼緣上有限的空間，整合和優化各類設備箱、開關柜、區間漏纜、過軌電纜管線、電纜托架等設備系統的布局和安裝方式，較傳統高架線更加方便和合理。

3) 進行了U型梁限界技術研究，這是一種特殊的U型斷面，車輛運行在1.5 m深的凹槽內，軌行區周邊的構筑物及設備布設受到極大的限制，其限界的確定與傳統高架結構存在很大的不同，限界大小也直接影響到橋面寬度，關系到橋梁結構的體量和造價。在橋上設備系統一體化研究的基礎上，進一步研究直線和曲線斷面限界及其統一性，吸聲調整塊限界，不同接觸網設置工況下的斷面限界，包括接觸網中間立柱、兩邊立柱，以及中間立柱考慮兩線共用接觸網支柱和分開布置接觸網支柱等多種斷面限界。在滿足行車安全和橋上設備系統合理布設的基礎上，充分考慮節省投資、方便構件制造和施工、提高降噪性能和建筑美觀等因素，形成了多工況下的U型梁限界制定標準和系列成果。

4) 對U型梁軌道減振措施及應用進行研究，在分析傳統高架線各種軌道減振措施的基礎上，針對U型梁的特有形式，結合目前軌道減振技術，進行了扣件類和道床類減振措施的應用研究，并對鋼軌阻尼板、吸聲矮墻、道砟墊等新型減振措施的可行性及理論減振效果進行了深入研究，提出了減振器扣件、彈性短軌枕等常規措施及整體道床特殊措施的U型梁軌道減振技術，此項技術的研究和應用，使U型梁高架線在依靠其天然屏障降噪的基礎上，進一步提高了U型梁的降噪效果。

5) 研究并提出應用于U型梁高架線的接觸網懸掛系統關鍵技術，接觸網懸掛系統是高架線中最重要的設備系統，既影響運營的安全性也影響著高架橋的景觀，對接觸網集中設于雙U梁中間橋墩上和分設于U型梁最外側腹板上等多種形式，就接觸網支柱的設立方式、支柱和基礎、下錨方式等關鍵技術進行了研究，形成了U型梁接觸網懸掛系統關鍵技術。

4.4 U型梁施工技術

國內首次對U型梁的預制、運輸、架設等全過程的施工技術進行系統研究，形成了一系列U型梁施工工藝和關鍵技術，并編制了江蘇省地方標準DGJ32/TJ 137—2012《預應力混凝土U型梁施工與驗收規程》，取得了復雜斷面橋梁結構的施工工藝及關鍵技術的重大突破。

1) 針對開口薄壁、內弧外折型斷面特性，就U型梁構件的預制精度、預制工序、預制工藝和預制管理等各個關鍵環節進行系統研究，提出了技術控制標準和關鍵工藝要求。

2) 對長大橋梁構件的運輸和架設，尤其對安裝技術措施、支座反力的均勻性質量控制等，直接影響橋梁受力性能、關系到列車行駛平順性和安全性的重難點問題進行深入的研究，形成了U型梁施工系列關鍵技術。

4.5 U型梁高架線的技術經濟性

國內首次對U型梁高架線技術經濟性進行了研究，揭示了新一代環境友好型軌道交通高架體系在技術經濟上的巨大優勢，為這一具有重大創新性技術的應用推廣奠定了堅實的基礎。其顯著的經濟優勢概括如下：

1) 在建設周期內，新型U型梁高架線比傳統箱型梁高架線在土建工程費用上節約投資約494萬元/正線公里，土建總造價節省9.93%。

2) 在建設周期內，在安裝3 m高聲屏障地段，新型U型梁高架線比傳統箱型梁高架線在綜合費用上能節約投資約1 285萬元/正線公里，綜合總造價節省22.09%。

3) 在全壽命周期內，在安裝3 m高聲屏障地段，新型U型梁高架線比傳統箱型梁高架線在綜合費用上能節約投資約5 442萬元/正線公里，綜合總造價節省54.28%。

5 結語

城市軌道交通U型梁高架系統，以精巧構造的U型梁結構為載體，集成了完備的設計理論和計算方法、減振降噪、節能環保、造型美觀、橋面系功能完善、車輛運行安全防護、施工便捷、工期短、顯著的經濟性等諸多優勢，構筑了新一代環境友好型軌道交通高架系統，解決了多年來制約我國軌道交通高架線應用和發展的關鍵問題，并實現了重大的科技創新突破，多項技術填補了國內外本領域的空白。目前U型梁高架系統新技術已在南京、重慶、北京、青島、鄭州、長春、濟南等多座城市的軌道交通工程中得到廣泛的推廣應用，總量達132.7 km，取得了顯著的技術經濟和社會效益。隨著我國城市軌道交通的不斷發展，應用前景更加廣闊，對促進我國軌道交通健康和可持續發展、推動行業的科技進步具有重要和深遠的意義。

[1] 王奕然,楊興山.城市軌道交通設備系統可持續發展的對策 [J].都市快軌交通,2009,22(5):6-9.

[2] 吳迅,張鵬.軌道交通U 型梁溫度模式研究 [J].山西建筑,2008,34(32):28-29.

[3] 黎慶.南京地鐵2號線東延高架線路U型梁結構計算及試驗 [J].城市軌道交通研究,2009,12(8):8-12.

[4] 北京城建設計發展集團股份有限公司,南京地鐵集團有限公司.城市軌道交通U型梁系統綜合技術研究[R].北京,2012.

[5] 王奕然.城市軌道交通高架線U型梁降噪理論與測試 [J].都市快軌交通,2013,26(3):41-44.

(編輯：郝京紅)

Research and Innovation for Key Technologies of U-shaped Girder Elevated System in Urban Rail Transit

Yang Xiuren

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing100037)

Based on the analysis of application and bottleneck for urban rail transit elevated lines in China, the main research achievements from the author and his team in the development and application of U-shaped girder elevated system were presented in this paper. It included the following aspects: the U-shaped girder structure technology,the comprehensive noise reduction technology, the integration technology with other rail transit systems, construction technology and technology economy, etc. By integrating the complete design theory and calculation method on the U-shaped girder structure, a new environment-friendly elevated system in urban rail transit was established, which had many significant advantages such as vibration attenuation and noise control, energy conservation and environment protection, attractive appearances, powerful deck functions, train operation safety protections, convenient construction in short term, project cost control, and so on. The application of U-shaped girder elevated system will contribute significantly to the healthy and sustainable development of urban rail transit viaduct in China.

urban rail transit; elevated line; U-shaped girder; thin-walled open-profile member; noise reduction technology

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.05.007

2015-05-17

2015-05-19

楊秀仁，男，大學本科，總工程師，教授級高級工程師，從事城市軌道交通工程設計研究工作，yangxr@buedri.com

U231

A

1672-6073(2015)05-0027-04