預制U梁在青島13號線軌道交通中的應用

張魯明，王利偉，岳章勝

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島226061）

預制U梁在青島13號線軌道交通中的應用

張魯明，王利偉，岳章勝

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島226061）

通過預制薄壁U梁與傳統箱梁的設計比選，詳細闡述了預制U梁結構在城市軌道交通工程設計時的結構形式采用和需要注意的結構要點。結合青島13號線軌道交通工程，分析了預制薄壁U梁結構方案的優缺點，經過技術、經濟、景觀等多方面比選，為今后同類的高架橋工程上部結構選型提供了依據。

預制薄壁結構；U梁；軌道交通

1 工程概況

青島軌道交通13號線位于青島市西海岸新區，總體呈東北-西南走向。線路起于開發區的嘉陵江路站，經由經濟技術開發區、靈山灣影視文化產業區、新區中心區、古鎮口創新示范園、董家口經濟區，終于董家口火車站。該項目為沿線各重點功能區、重點發展區及組團間提供方便快捷的交通方式，與地鐵M6線、12號線、M1線實現換乘，對引領城市發展，全面支持西海岸經濟新區的建設，快速聯系西海岸五大功能板塊，通過與膠州灣環線的換乘，實現與軌道交通線網的有機結合。13號線線路正線全長70.02 km，設車站23座，其中地下站9座，高架站14座，設車輛基地1處、停車場2處。該項工程初、近、遠期均采用B1型車4輛編組，系統最大設計能力30對/h。最高運行速度120 km/h。

該項工程為預制薄壁U梁在全國首次大規模應用。我國自2000年上海明珠線建成以來，國內已建成超過300 km軌道交通高架線。以往軌道交通橋梁采用最多的是箱梁，近年來隨著U梁在上海、南京軌道交通成功建設運營，增強了城市軌道交通高架橋梁生命力。但是到目前為止，U梁的應用只是在上海地鐵16號線，設計單位為法國的一家公司；國內設計院設計并建成的只有南京地鐵二號線東延段的1.185 kmU梁試驗段和重慶地鐵一號線的沙坪壩站-大學城站的6.9 km U梁試驗段。青島軌道交通13號線工程高架區間長度約51.46 km，為全國之最。

2 U梁結構特點

在軌道交通工程應用中，與箱梁等傳統梁型相比，U型梁具有如下突出優點：

（1）建筑高度低，U梁比箱型梁建筑高度低1.5 m左右，有利于上跨下穿立交，改善縱斷面技術參數，優化車輛運行條件，節能同時降低運營成本。

（2）降噪效果好，減小聲屏障用量。對比其他箱形梁，U型梁腹板結構具有阻隔輪軌噪聲的作用，相當于3 m高的聲屏障。U型梁沒有列車震動引起的箱梁體內的混響噪聲。

（3）橋梁建筑造型效果佳，環境適應性好。U型梁梁體纖細挺拔，與蓋梁、橋墩有機結合，造型獨特。U型梁阻隔輪軌噪聲，減少了聲屏障高度和使用量，環境影響小。

（4）經濟性好。U型梁對比箱梁截面尺寸小，梁部一期恒載和二期恒載重量輕，可節約土建造價。U型梁腹板降噪作用基本可以到達3 m高聲屏障的效果，以結構100 a使用壽命，聲屏障15 a的使用壽命計算，在100 a壽命期內，聲屏障需要更換5次以上，大幅度降低了高架線環保工程造價和全壽命周期運營成本，經濟效益明顯。

（5）綜合功能性提高。主體結構本身具有欄桿、聲屏障基礎架和疏散平臺功能。

（6）行車安全。兩側主梁可防止脫軌車輛傾覆下落，給行車安全提供了可靠的保證。

3 高架橋方案比選

3.1 上部結構標準梁

3.1.1 設計方案

梁部結構設計應構造簡單，便于施工架設。目前軌道交通高架橋中常用的截面形式主要有單箱單室箱梁、組合箱梁、U梁等幾種形式。根據以上分析，該線初步確定以下幾個方案進行比選。

3.1.1.1 30 m跨度，單線U梁并置方案

（1）方案簡述：橋梁上部結構采用兩片單線U梁并置形式，U梁高1.8 m，梁體內，斷面如圖1所示。圖2為其效果圖。

圖1 單線U梁并置斷面圖（單位：mm）

圖2 單線U梁并置效果圖

（2）方案優點：

a.建筑高度低，U型梁比箱梁建筑高度低1.5 m左右，有利于上跨立交。

b.結構受力需要的主梁上翼緣可兼做檢修及旅客緊急疏散通道，下部空間可布置通信、信號、電力電纜等管線，截面利用率高。

c.采用分片預制，對吊裝設備起吊能力要求低，可采用小型架橋機橋上運架，也可采用橋下運輸、整孔吊裝的架設方法，運架方式靈活。

d.降噪效果好：對比其他箱形梁，U梁腹板具有阻隔輪軌噪音的作用，U梁沒有列車振動引起的箱梁體內的混響噪音。

e.U梁為開口斷面，方便后期維修檢查。

（3）方案缺點：

a.橫向剛度相對較弱，動力特性稍差，但仍可滿足規范要求。

b.在渡線區段及較大跨度節點橋處，需轉換梁型。

c.墩頂蓋梁橫向尺寸較大，需施加預應力。

3.1.1.2 30 m跨度，組合箱梁方案

（1）方案簡述：橋梁上部結構采用組合箱梁截面形式，箱梁高1.8m，箱梁腹板采用斜腹板，組合箱梁斷面如圖3所示，圖4為其效果圖。

圖4 組合箱梁效果圖

（2）方案優點：

a.組合箱梁，受力清晰，施工工藝成熟。

b.采用分片預制，對吊裝設備起吊能力要求低，可采用小型架橋機橋上運架，也可采用橋下運輸、整孔吊裝的架設方法，運架方式靈活。

（3）方案缺點：

a.結構整體剛度較弱，行車動力條件稍差。

b.受跨越能力限制，跨越較大的城市道路及河流處又要變為整體箱梁。

c.后期橋面板、橫隔板的澆筑工作量較大。

d.橋面設置擋板及聲屏障后，體量較大，側向視野阻擋較嚴重。

e.梁高較低，箱梁內部空間狹窄，不方便后期的維修檢查。

3.1.1.3 30 m跨度，單箱單室箱梁方案

（1）方案簡述：橋梁上部結構采用單箱單室箱梁截面形式，梁高1.8 m，箱梁腹板采用斜腹板，單箱單室箱梁斷面如圖5所示。圖6為其效果圖。

圖5 單箱單室箱梁斷面圖（單位：mm）

圖6 單箱單室箱梁效果圖

（2）方案優點：

a.單箱單室箱梁截面結構整體性好，剛度大，徐變上拱小，結構動力性能好。

b.跨越能力強，適應跨路口的需要。

c.適應性好，可方便地用于區間曲線、渡線段。

（3）方案缺點：

a.梁體自重較大，對運架設備的要求較高。

b.橋面設置擋板及聲屏障后，體量較大，側向視野阻擋較嚴重。

c.梁高較低，箱梁內部空間狹窄，不方便后期的維修檢查。

3.1.2 經濟指標比選（見表1）

表1 30 m梁主要經濟指標對比表

通過經濟指標比選可以看出，單線U梁并置方案材料用料較省，經濟指標較低。

3.1.3 綜合比選（見表2）

表2 橋梁斷面綜合比較表

3.1.4 結論

經綜合分析，以上三個方案各有優缺點，均為可行方案。考慮到青島13號線線路沿線的區域規劃、周邊環境，建議在高架區間采用景觀效果好，降噪明顯的單線U梁并置方案。

3.2 下部結構設計方案

3.2.1 設計構思

橋墩作為高架橋梁的承重結構，是高架橋梁的重要組成部分，對于城市軌道交通橋梁，由于所處位置的特殊和大范圍連續布置，使得其極易進入人們的視線，成為關注的重點。

隨著對城市景觀要求的不斷提高，橋墩形式的選擇是影響高架橋梁設計成敗的一個關鍵因素，除考慮軌道交通結構自身受力特點外，更要從景觀及視覺上加以著重考慮，應通過研究比較，使采用的墩形與周邊景觀及上部結構協調統一，在滿足功能的前提下，盡量減小對周邊道路的影響。另一方面，橋墩又要很好地表達其自身的承載力線，給人看后有一種和諧自然、安全穩健的效果。

3.2.2 墩型選擇的原則

（1）高架橋梁墩型的選擇必須滿足上部結構受力要求，即滿足結構本身強度、剛度和穩定性。

（2）要配合地面道路交通現狀和遠期規劃的情況，盡可能地為道路改擴建預留條件。

（3）要與上部結構及周邊環境和諧統一，并要注重人文景觀的特點。

3.2.3 橋墩設計方案

由于區間標準梁確定采用雙線U梁并置方案，同時考慮減小對管線的影響，宜采用獨柱墩。該項目的設計主要構思以下幾種墩型方案。

圖7為橋墩方案圖。

方案一采用矩形截面墩柱，墩頂采用“Y”形，其優點是墩頂蓋梁為鋼筋混凝土結構，減少了預應力鋼束張拉，施工簡單，施工速度快。缺點是墩高的適應性較差，橋墩較低時效果差，矩形截面與上部U梁流線型外觀匹配性差。

方案二、方案三、方案四從整體上看都為T形墩，但是墩柱截面形式各有不同，方案二矩形截面墩柱線條流暢，棱角分明，受力較好，但矩形截面與上部U梁流線型外觀匹配性差。方案三圓形截面及方案四圓端形截面墩柱與上部流線形外觀協調性好，建成后整體景觀效果好。方案一、二、四同時考慮了泄水管安裝空間，方案三需要將泄水管敷設到橋墩外側，建成后景觀效果略差。故此次設計推薦采用方案四，墩柱采用圓端形截面，在直線段預留安裝泄水管的凹槽。

圖7 橋墩方案圖

4 結語

預應力混凝土U梁是一種下承式橋梁結構形式，與箱梁、T梁、板梁相比，U梁具有有效建筑高度低、降噪效果好、斷面空間利用率高、能阻止車輛出軌及傾覆下落等優點，同時根據結構特點，U梁的有效建筑高度主要與其橫向跨度有關，而與縱向跨度關系不大，因而，在跨度加大條件下更能體現其綜合優勢，產生更加顯著的技術經濟效益和社會效益。

預應力混凝土U梁在國內的發展長期以來受到制約，其主要原因是國內對U梁的理論分析、構造措施及施工工藝缺乏深入和全面的分析研究、缺乏實際運用經驗。通過青島13號線軌道交通工程，分析了預制薄壁U梁結構方案的優缺點，經過技術、經濟、景觀等多方面比選，為以后U梁在軌道交通工程和公路、市政工程的應用積累了寶貴的經驗。

U233

B

1009-7716（2017）08-0102-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.032

2017-04-20

張魯明（1982-），男，山東青島人，碩士，工程師，從事市政軌道交通設計工作。