多種城市軌道交通制式的高架橋梁結構比較

孫汝蛟

（中交公路規劃設計院有限公司，北京　　100088）

多種城市軌道交通制式的高架橋梁結構比較

孫汝蛟

（中交公路規劃設計院有限公司，北京100088）

我國城市軌道交通從單一的地下形式發展到地下-地面-高架相結合的形式。本文結合軌道交通制式出現的新特點，從線路設計、設計荷載、上下部結構形式、工程量等方面對現有各種城市軌道交通制式的高架橋梁進行了系統比較研究，從橋梁結構方面為城市軌道交通制式的選擇提供了參考。

城市軌道交通；交通制式；高架橋梁；比較分析

一個時期以來，發展以軌道交通為主的多層次、立體化的綜合交通結構體系，已成為解決城市交通擁擠問題的重要選擇之一。截止2014年底，我國內地已有22個城市開通城市軌道交通運營線路，總里程達到3 173 km，幾乎涵蓋了目前城市軌道交通的各種制式；軌道交通也從單一的地下形式發展到了地下-地面-高架相結合的形式，從而使城軌交通出現了如下新的運行特點［1］：

1）線路的立體化，使線路坡度加大；

2）城建物的密集，使線路的水平曲線半徑變小；

3）城市人口的增長，使運行區間變短，必須依靠較高運行速度和較大的加、減速度才能增大運能；

4）環保的要求更高，要求車輛的振動和噪聲的影響更小；

5）為減少運營成本必須降低土建工程的造價，要求車輛的重量輕、體積小，才能使高架結構簡單經濟。

高架線路以其投資經濟、施工周期短、運營成本低、線路適應性良好等優點，逐漸在城市軌道交通建設中得到越來越廣泛的運用。本文主要針對各種軌道交通制式橋梁結構從線路設計、設計荷載、上下部結構的形式、工程量等方面進行比較，從橋梁結構方面為城市軌道交通制式選擇提供參考。

1　線路設計

平曲線半徑大小、機車爬坡能力強弱是制約線位選擇的重要因素。表1是目前幾種城市軌道交通制式線路及常用機車技術規格表。

表1　不同城市軌道交通制式線路及常用機車技術規格

從表1中可知，除了市域鐵路正線最小平曲線半徑要求2 000 m以外，跨座式單軌系統和 C型輕軌具有100 m的最小曲線半徑，懸掛式單軌和自動導向軌道系統最小半徑可達30 m，為在城市建筑密集區選線創造了很大空間。相對于鋼輪，由于膠輪與軌道接觸面黏著系數較大，具有較強的爬坡能力，跨座式單軌、自動導向軌道（膠輪）系統能達到60‰，更能適應變化起伏復雜的地形；不僅減小了線路或橋梁的長度，還縮短了從地面到高架段干擾地面交通的過渡段。同時為提高運營能力，還需較高的運營速度和較好的機車加、減速度性能。除了懸掛式單軌和自動導向軌道系統運營速度相對較低外，其他幾種都能達到70 km/h以上，但懸掛式單軌的加、減速度均有較大的優勢。

從線路設計方面來看，單軌系統、C型輕軌和自動導向軌道系統在建筑密集的城市選線表現出了良好的性能，同時減小了因為城市軌道高架建設而發生的拆遷量。

2　設計荷載

國內各種軌道交通制式的荷載分類、取值及其組合［2-5］，基本以《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）為基礎，考慮各自的運營特點進行局部調整。例如列車橫向搖擺力在鐵路荷載規范中作為主力組合，而地鐵輕軌規范中將其列入附加力中。同時由于不同制式工作機理不同，具體的荷載項也有所增減，跨座式單軌交通在特殊荷載中增加了車擋影響力，減去了無縫線路縱向力；中低速磁浮可變作用中側向導向力和小半徑約束力取代了橫向搖擺力。

軌道交通高架橋列車荷載的特點是：設計荷載按實際采用的車輛可能產生的最大軸重來考慮。也就是說，采用不同的車型、軸距與軸數，其設計荷載是不同的。圖1是不同城市軌道交通制式中常用的列車設計荷載圖式。

圖1　不同城市軌道交通制式中常用的列車設計荷載圖式（長度單位：m）

根據鐵路和城市軌道交通橋梁建設經驗，高架橋的經濟跨度都在40 m以下，尤其以簡支30，25 m為主型跨度［6］，同時對于簡支梁，均由跨中彎矩控制結構的設計。根據圖1不同城市軌道交通制式的列車活載圖式，表2列出了不同城市軌道交通制式列車活載作用下跨徑30 m簡支梁跨中彎矩的換算等效均布荷載。

從表2可以看出，輕型跨座式單軌、懸掛式單軌、中低速磁浮系統、自動導向軌道系統、有軌電車的等效均布荷載都＜30 kN/m，尤其自動導向軌道系統僅為21.8 kN/m。較小的列車荷載相應的梁截面就會減小，進一步減輕了下部結構受力，若同時采用膠輪的單軌系統、自動導向軌道系統和非接觸式的中低速磁浮系統，沖擊效應也相應降低，減小了噪聲的發生。

表2　不同城市軌道交通制式列車活載的等效均布荷載

3　結構比較

3.1上部結構

城市軌道交通高架區間橋梁形式的選擇是高架結構設計的重要前提。由文獻［6］可知，目前城市軌道交通高架區間橋梁以30 m簡支箱梁最常使用。表3是各種城市軌道交通制式30 m跨徑簡支梁上下部結構舉例。

表3　城市軌道交通不同制式橋梁上下部結構舉例

從表3可知上部結構跨座式單軌在土建材料用量上表現出優異的性能，梁體混凝土、鋼絞線、普通鋼筋用量比其他制式節省很多，市域鐵路甚至分別是跨座式單軌軌道梁用量的3.74倍、2.02倍、3.74倍，材料用量相對少的直線電機輕軌也分別為2.6倍、1.33倍、2.62倍。材料的大幅節省，不僅直接降低了工程造價，跨座式單軌單梁的結構形式也為施工帶來了便利。

跨座式單軌的線間距只有3.7 m，較小的限界除了減小了工程量，也為線路選線創造了更大的空間。單軌系統的梁體可以采用單梁直接放置在橋墩上，僅為兩根細長的縱梁，通透性好，不會像地鐵輕軌等其他交通制式寬大的梁體，影響地面機動車廢氣的排散和地面綠化采光，被折返的各種回聲也會增強噪聲污染，而且寬大的形體還會給城市景觀帶來一定的負面影響。中低速磁浮系統的梁體盡管理論上也可以像跨座式單軌那樣直接擱置在墩頂，但是目前實際運營的線路還不多見。

3.2下部結構

表3中列出了不同城市軌道交通制式跨徑30 m簡支梁對應10 m墩高的工程量，除了直線電機輕軌的混凝土量稍小于輕型跨座式單軌外，其余制式的混凝土和鋼筋用量都超過輕型跨座式單軌。

機車荷載和軌道梁的總荷載大小決定了下部結構的尺寸和構造形式。據分析，在機車荷載相差不大的情況下，因為軌道梁荷載的大幅下降，使跨座式單軌下部結構的結構形式可以按常規T形獨柱設置在隔離帶（圖2（a））；因為上部結構荷載相對較小，單軌交通既可以倒L形設置在路旁（圖2（b）），又可以比較靈活地與其他高架公用下部結構形成疊式T形墩（圖2（c））。跨座式靈活的下部結構設置方式反過來又為線位選擇創造了更多的便利條件。

盡管懸掛式單軌也有很靈活的下部結構布置，但跨座式單軌相對具有更多優勢，因為跨座式單軌車輛行駛于軌道梁頂面，高架橋結構下部凈空滿足地面車輛安全通行即可，無需像懸掛式抬得那么高；工程結構材料基本為鋼筋混凝土，維修量小，同時運量潛在能力相對要強。

圖2　跨座式單軌橋墩

4　結論

我國城市軌道交通經過50多年的發展，除建設規模和運營里程不斷增加外，各地城市根據自身需求，城市軌道交通制式也呈現多樣化。既有的地鐵、輕軌、有軌電車、市域鐵路等制式，也出現了單軌交通、磁懸浮、直線電機等多種制式。

通過以上分析，現代城市軌道交通中，不同制式的軌道交通各有特點，總體來說跨座式單軌結構形式簡約，材料用量少，易于融入城市景觀環境，采用膠輪又具有噪聲小、爬坡能力強、曲線半徑小、建設周期短等諸多特點，再結合景觀設計，必將成為一道亮麗的風景線。同時跨座式單軌交通屬中運量城市軌道交通，在該序列中運能屬于較高的一種，其普及的范圍正在日益擴大。

［1］劉友梅，楊穎.城軌交通的一種新模式——直線電機驅動地鐵車輛［J］.電力機車與城軌車輛，2003（7）：4-7.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50157—2013地鐵設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50458—2008跨座式單軌交通設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［5］北京控股磁懸浮技術發展有限公司，鐵道第三勘察設計院. Q/CYBGMJ001—2008中低速磁浮交通設計規范［S］.北京：中國科學技術出版社，2008.

［6］姚亞茹.軌道交通高架區間橋梁形式比選與經濟比較［J］.鐵路工程造價管理，2006（2）：41-44.

（責任審編孟慶伶）

Comparison of Elevated Bridge Structures of Several Urban Rail Transit Modes

SUN Rujiao
（CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）

T he urban rail transit modes in China have developed from single underground mode to the combination of underground-ground-elevated mode.Based on the new features of the modes，a comparative study on elevated bridge structure of several urban rail transit modes was carried out from route design，design load，superstructure and substructure and engineering quantities.How to determine the urban rail transit mode was suggested from the aspect of bridge structure.

Urban rail transit；T ransit mode；Elevated bridge structure；Comparison

孫汝蛟（1976— ），男，高級工程師，博士。

U293.5；U448.18

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.03

1003-1995（2016）07-0009-04

2016-01-19；

2016-04-20