高架橋梁設計中的相關問題研究

肖杰

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司 四川成都 610031）

引言

對于城市軌道高架橋梁開展設計的過程當中，應當對其景觀效果所產生的影響進行考慮，盡可能地使高架橋梁與附近的環境相得益彰，從而形成一種相對較好的視覺沖擊。例如著名的米約大橋（Millaubridge），該橋既是連通法國南北兩面的重要樞紐，同時還是一個相對聞名的旅游勝地。此橋不僅使交通的壓力得到了緩解，同時還讓“米約”這個斜拉索式長橋世界聞名。在對高架橋梁進行設計的過程當中，設計人員應當對美觀設計給以高度的重視，使實用和美觀相互結合，使高架橋梁擺脫冷冰冰的鋼筋水泥形象，使其成為極富美感的一道風景線。同時，橋梁附近的綠化也是十分重要的。歷經長時間的行駛，司機極易產生困乏的現象，進而釀成交通悲劇，如果以在橋梁附近種植綠化植物的方式，既能夠美化環境，還可以緩解司機的視覺疲勞，進而確保行駛的安全性。在綠化上，應當高度遵循地域的氣候條件，盡可能地挑選抗力性好、耐干耐旱及生命力相對頑強的植物，例如八角金盤等。不同于公路和市政高架橋梁，城市軌道高架橋梁的設計，體現了它與眾不同的特點。城市軌道交通高架橋梁是一種采用軌道結構進行承重，依據總體城市交通規劃要求，設置專用軌道線路，以列車或單車形式，運送相當規模客流量的公共交通結構形式。

1 城市軌道交通高架橋梁設計荷載的特點

1.1 軌道對橋梁的荷載作用

由于軌道發生變形，導致橋梁產生了斷軌力、撓曲力及伸縮力等荷載。其中，斷軌力是由于長鋼軌發生折斷，導致鋼軌和橋梁發生相對位移而生成的縱向力；撓曲力指的是在豎向荷載的作用之下，橋梁和鋼軌發生撓曲的時候，二者間存在錯動趨勢，進而生成的縱向力；伸縮力則是因為受到溫度變化的影響而致使鋼軌產生了相對位移，進而受到橋梁的束縛而產生的縱向力。由于鋼軌對高架橋梁產生的作用力均為通過橋梁的軸向力施加于橋墩之上的，因此在對橋梁墩臺進行設計的過程中，應當對該種縱向力所產生的作用加以計算分析。軌道對于橋梁的產生作用力主要是因為鋼軌的結構而導致的，以往運用多接頭短軌軌道這一結構時，該種力的作用便相對較小。對于軌道縱向力，在《地鐵設計規范》（GB50157-2013）、《鐵路橋涵設計規范》（TB10002-2017）等規范中有相應的計算方法。

1.2 列車荷載

對于城市軌道交通的列車荷載而言，其主要特點為：對荷載進行設計的過程中，應當按照具體使用的車輛及有可能形成的最大軸重來進行嚴格的檢算，即使用不同的軸數、軸距和車型，其設計的荷載通常是不一樣的。相較于軌道交通高架橋梁的設計荷載，鐵路橋梁的荷載更大。就干線鐵路來說，主要考慮的是客貨的混跑，運用的主要為ZKH荷載形式（中一活載），這屬于一個相對簡化的荷載。對這種荷載形式來說，不僅需要對已經消逝的某種系列荷載進行相應的模擬，同時還需要對設計荷載的未來發展趨勢給以分析，因此相較于當前實際的運營荷載而言，活載要大得多。而對于公路荷載而言，因為車輛本省具備多樣性，車輛行駛過程中的車距、及其軸距與軸重都是隨機的。就中小跨度的橋梁而言，軸距、軸重以及排列相對較為規律的荷載也是致使橋梁發生豎向振動的主要因素。

2 城市軌道高架橋梁上部結構比選與設計

2.1 結構設計原則

在對高架橋梁的上部結構進行設計的過程當中，應當同時對多個因素產生的作用影響進行考慮。如：

（1）結構自重、二期恒載、設備自重、預加應力、上部建筑的重力、基礎沉降變位、混凝土收縮徐變等作用影響；

（2）制動力、橫向搖擺力、牽引力、風力、附加力等作用影響；

（3）溫度效應的作用影響；

（4）若高架橋梁采用的是無縫線路軌道，還應當對線路橋墩水平方向的附加力所造成影響加以考慮；

（5）站臺車站、樓板以及樓梯的人群均勻分布的作用影響；

（6）在線路的平曲線上，還應著重考慮有關離心力的作用影響，其主要的作用點為列車的重心部位，距離軌頂1.8m。

2.2 箱梁

對于箱梁而言，目前成熟運用于城市軌道交通高架橋梁工程當中。箱梁的適用性相對較好，作為高架區間的標準結構形式，同時還能用于大跨、曲線、變寬以及出岔等特殊區域。除此之外，箱梁的受力性能方面也是最穩定的，外觀的線條也是相對順暢的。同時，箱梁的鋼筋配筋計算更為安全、更為簡單；同時，不管是現澆還是預制，國內對箱梁這種結構形式的施工經驗都十分豐富。

2.3 槽形梁

當對軌面到梁底的空間要求較高時，可以考慮采用槽形梁。槽型梁不僅可以使城市道路之間的立體交叉更為便利，同時還可以對工程線路的標高進行優化，使投資得以減少。同時槽形梁的兩側腹板還起到了降音防噪的重要作用，景觀上也較為美觀。但是由于槽形梁使用較多的預應力鋼束，施工的進度相對較慢，施工的環節也相對復雜，施工工藝要求相對較高，造價也相對較高，相較于箱梁，施工經驗與設計經驗相對不夠成熟。

2.4 空心板梁

當需要梁高很矮、跨度較小時，可以適當采用空心板梁。對于板梁的受力也十分清晰，施工與設計也很成熟。然而因為每一片的空心板梁間均存有鉸接的現象，導致橋梁的整體受力情況較差，橋梁剛度也相對較弱。板梁的跨徑通常需要保持在10～20m之間，不太美觀，也不太經濟。除此之外，在運營后，空心板梁的收縮徐變影響也很大，對于城市軌道交通橋梁的后期維護非常不利。

3 城市軌道高架橋梁下部結構比選與設計

城市軌道工程的工期在高架橋梁下部結構型式的比選當中起到了決定因素。針對雙柱式橋墩而言，一般使用預應力混凝土蓋梁，但是蓋梁的預應力鋼束一共分為：架梁之前的第一次張拉與架梁之后的第二次張拉。施工準備與工序相對較為繁雜且時間也相對較長。然而對于單柱式的橋墩來說，其主要運用的為鋼筋混凝土蓋梁，施工速率快，因此此類橋墩形式被城市軌道高架橋梁大量使用。在線路下方有地下管線時、橋梁下方有不可對其進行拆卸的相關構造物時，橋墩設計應當避開。在對橋墩承臺尺寸進行選擇的過程當中，設計時應當盡量考慮橋墩尺寸相對較小的雙柱式預應力混凝土蓋梁橋墩。

4 橋梁結構計算設計

4.1 梁格法計算

表1主要闡明了板殼有限元方法與梁格理論在同一片梁的不同工況之下，各個截面的變形情況以及受力計算的結果。從表1能夠得出結論，二者相較而言差異相對較小，然而梁格的橫縱梁的剛度取值相較要大一些。

表1 不同工況關鍵位置的受力情況

4.2 柱基的計算

工程當中的柱基通常都是按照群樁來進行計算，同時使用“m”法。計算柱基的過程當中，應當對恒載、活載、制動力、支座摩阻力及溫度力最為不利的結合進行嚴格的檢算，并對墩身的強度與裂縫寬度相應的驗算工作。

4.3 蓋梁縱向的計算

在對普通鋼筋混凝土結構的橋墩來說，其蓋梁縱向鋼筋的抗彎配筋行設計的過程當中，一般能夠使用平面桿系有限元的軟件來對其計算。在有關計算的過程當中運用縱向抗剪設計，記錄有關剪力方面的數據，然后再按照高架橋梁的有關要求來對斜筋及箍筋的進行配備普通鋼筋，最后檢驗是否能夠達到有關規范的要求。

4.4 蓋梁橫向的計算

雙柱式的預應力混凝土蓋梁主要是為了確保預應力鋼束可以有彎起的高度，因此梁截面通常運用倒T的鋼束布置形式，如此能夠使得橋梁截面的高度得到相應的提升，還可以節省混凝土的用料。從蓋梁底部伸出的墩柱部位是蓋梁截面相對而言較為薄弱的部位，對該部位應當展開全方位的驗算工作，并進行配筋加強處理。

4.5 墩柱和承臺的計算

針對墩柱橫縱向截面來說，應對其強度與裂縫寬度進行相應的驗算。墩柱作為產生偏心受壓的物體，若墩柱的高度相對較高時，則需要對縱向彎曲系數所致使的偏心增大系數進行考慮。在具體的施工當中，因為受到現場施工條件的約束，使墩柱遭受了巨大的彎矩，特別是高架橋梁的上部結構的跨徑度較大時，則需要運用某些臨時措施，如在墩柱的附近搭建滿堂鋼管支架。除此之外，針對承臺的橫縱向截面來說，針對強度與裂縫寬度的驗算也是十分重要的，承臺是由墩柱結構傳下來的承載力用于驗算，通常彎矩取樁截面的中心位置至墩柱結構邊緣位置的距離。

4.6 施工過程的抗剪抗扭驗算

在對上部結構進行架設的過程當中，由于現場條件的限制，致使難以根據設計方面的需順利展開，在此種情形之下，橫向架設是從蓋梁的一端向著另外一端進行架梁，縱向則是以單跨架梁的施工辦法來展開的。除此之外，還應當對于蓋梁挑臂展開相對應的截面抗剪抗扭方面的驗算。在驗算的過程當中，應當先將其劃分為多個部分，之后按照（cd2/Σcd2）來對各個單元剪力與扭矩展開相應的分配。

5 結束語

綜上所述，城市軌道交通中的高架橋梁作為一道十分獨特的風景線，而對此類橋梁設計而言，其結構設計與美觀設計均是十分重要的，這兩種設計直接影響著高架橋梁的視覺效果和利用成效。所以，在設計城市軌道高架橋梁的過程當中，不僅需要考慮到視覺上的協調，還需要對其結構設計更為重視，如此方可使高架橋梁的施工和后期維護得到更好的保障。