軌道交通高架橋梁設計特點探究

姜艷麗

（中國華西工程設計建設有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518029）

軌道交通高架形式造價低，是城市交通、尤其是市域線的一個重要組成部分。與公路橋梁相比，軌道交通高架橋梁在設計荷載、設計標準、設計參數和計算方法等方面都有較大差別；即使與干線鐵路相比，也有許多不同之處。很長一段時間內，我國沒有專門的高架橋梁設計規范，已建成的軌道交通高架橋梁主要參考《鐵路橋涵設計規范》中的有關規定。2003年8月，建設部頒布修訂后的《地鐵設計規范》(GB 50157-2003)中，專門對高架結構制定了規范條文，這是一個很大的進步。軌道交通橋梁首次有了自己的設計標準。

1 軌道交通高架橋梁設計荷載的特點

1.1 列車荷載

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。干線鐵路橋的設計荷載要比軌道交通高加橋的設計荷載大得多。干線鐵路考慮的是客貨混跑，采用的是中一活載，這是個概化荷載。它既模擬了已消失的蒸汽機車拖帶貨車的系列荷載，又考慮荷載的遠期發展因素，因此，活載要比目前實際運營的荷載大得多。相比之下，公路制定的汽車荷載雖然也含有概化因素，但它比較接近實際運營的荷載。公路荷載由于車輛的多樣性，其軸重和軸距以及行進中前后車輛的車距都具有較大的隨機性。軌道交通高架橋荷載具有輪軌交通共有的特征，即軸重、軸距相對有規律地排列及其對橋梁相對有規律地作用。對于中小跨度橋梁來說，軸重、軸距有規律排列的荷載是引起橋梁產生較大豎向振動的一個重要因素。

1.2 軌道與橋梁相互作用的荷載

軌道與橋梁的相互作用荷載是軌道交通橋梁的一個特有荷載。軌道的變形對橋梁所產生的附加荷載有伸縮力、撓曲力、斷軌力等。伸縮力是由于溫度變化引起鋼軌的位移受到橋梁的部分約束而產生的縱向力；撓曲力是在豎向荷載作用下，鋼軌與橋梁撓曲時，兩者之間有錯動趨勢而產生的縱向力；斷軌力是長鋼軌折斷引起橋梁與鋼軌的相對位移產生的縱向力。上述鋼軌與橋梁之間的相互作用力均為縱向力。鋼軌對橋梁的作用均通過梁的軸向力傳到橋梁的墩臺上，因此，橋梁墩臺設計時必須考慮這種縱向力的作用。軌道對橋梁的作用力主要由長鋼軌的結構而引起，以前采用多接頭的短軌軌道結構時這種力的作用就相當小。關于縱向軌道力的計算，目前的研究還沒有形成簡易計算公式，《地鐵設計規范》中建議進行專題計算。

2 城市軌道高架橋選型設計

2.1 城市軌道高架橋梁部結構形式

理論上可采用和國外已采用的梁部結構形式有槽形梁、下承式脊梁、T梁、板梁和箱梁等。

2.1.1 槽形梁。槽形梁橋建筑高度低,便于城市道路間立體交叉。它壓低線路標高,節約總投資。它的兩側主梁可起到防噪屏作用，景觀程度較好。它需布置多向預應力鋼筋，施工復雜，制作時間長，梁片單價較高,且設計和施工經驗少。30m跨度的簡支雙線梁，一般每平方米橋梁面積需要主要材料為：混凝土0.87m3，預應力鋼筋 51kg，鋼筋 25kg。

2.1.2 下承式脊梁。下承式脊梁的橋梁建筑高度以挑臂板的厚度計，因而其建筑高度低。挑臂板的厚度不受跨度改變的影響，易于線路的線形布置，建筑高度低便于壓低線路標高,節約總投資。脊梁、邊梁可防噪,脊梁頂可用做檢修通道,其造型獨特，具現代感。下承式脊梁可采用預制桿件現場拼裝，但在我國尚無實踐。30m跨度的簡支雙線梁，一般每平方米橋梁面積需要主要材料為：混凝土0.52m3，預應力鋼筋 23kg，鋼筋 61kg。

2.1.3 T梁。T梁建筑高度為目前高架橋梁部結構型式中最高的一種，但不便于城市道路立體交叉。它適宜預制吊裝法施工。用T梁架設的城市軌道高架橋每線2片T梁，T梁受力清晰,設計、施工經驗相當成熟。T梁橋梁底部呈網格狀，美觀性最差，特別是2片T梁間鉸接，整體受力性差。

2.1.4 板梁。板梁橋梁建筑高度較低，便于壓低線路標高，但梁高較低，相應剛度較小，梁部后期收縮徐變較大，不利于軌道交通線路軌道調高要求。每線采用2片或4片空心板梁，受力清晰，設計、施工經驗相當成熟，可采用預制、吊裝施工，但各片板梁間鉸接,整體受力性差。經濟跨度一般在16～20m，跨度小，景觀性差。

2.1.5 箱梁。箱梁橋梁建筑高度適中，由于其抗扭性能好，適用于斜橋和曲線梁橋。它既可作為標準區段，也可用于變寬、出岔區段。箱梁橋外觀線形流暢、美觀，設計、施工經驗成熟，通常采用現澆法施工。對長達20～30km的城市軌道橋梁，現澆法施工存在對周圍環境干擾多、施工成本高和工期長等缺點?？缍葹?0m的簡支雙線梁，一般每平方米橋梁面積需要主要材料為:混凝土0.51m3；預應力鋼上述幾種梁型的特點和其適用性等技術指標比筋19.5kg；鋼筋95kg。

2.2 抗震設計

目前，我國還沒有軌道交通高架橋的抗震設計規范，而通常橋梁抗震設計中普遍采用的《鐵路工程抗震設計規范》及《公路工程抗震設計規范》，又沒有或無法考慮橋上無縫線路軌道對橋梁結構的作用。對此，同濟大學的馬坤全等進行了研究。在設計中采取了如下原則或措施來進行抗震設計。高架橋上軌道結構對橋梁的縱向約束作用，顯著減少了橋梁的縱向地震響應及對橋梁的抗震延性要求；板式橡膠支座可以明顯減少橋梁的地震響應，改善橋梁的抗震延性性能；墩柱縱向鋼筋的配筋率Θ1≥0.95%，能確保該高架橋滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的強度和變形控制原則。

3 軌道交通高架橋梁的剛度和變形限值要求

3.1 剛度問題

橋梁剛度限值是軌道交通高架橋梁設計中的一個重要參數。剛度大小與車橋的動力特性密切相關。為保證車輛過橋時的乘坐舒適性及不引起橋梁過大的動力放大系數，軌道交通高架橋梁的剛度最小限值要求均比道路橋梁嚴格?！兜罔F設計規范》規定了軌道交通鋼筋混凝土和預應力混凝土高架橋梁的豎向剛度限值。

3.2 混凝土梁的徐變上拱度問題

軌道交通高架橋梁橋面經常采用的是承軌臺構造形式的明橋面，其梁部的上拱度變形直接影響著鋼軌的變形，從而影響列車的走行性。盡管軌道扣件對軌面標高具有一定的調節能力，但必須對梁部上拱度有一定的限制?！兜罔F設計規范》規定預應力混凝土在線路鋪設后，徐變上拱度不宜大于15mm。該限值應針對相應跨度范圍而言。徐變變形沿梁跨方向是一個連續曲線，對小跨度梁而言，變形限值應適當小些；對較大跨度梁來說，變形限值要適當放寬。這是條文尚須明確的地方。

3.3 基礎沉降問題

采用明橋面時，軌道交通橋梁對基礎沉降是非常敏感的。基礎沉降直接影響鋼軌的變形?！兜罔F設計規范》對橋墩、橋臺沉降提出了明確的限值要求：對于靜定結構，墩臺均勻沉降量不超過50mm，相鄰墩臺不均勻沉降不超過20mm。與徐變變形一樣，沉降的計算也不易算準，設計時還必須結合經驗進行判斷。上海修建的高架道路、軌道交通高架線路沉降實測表明：只要持力層選擇適當，相鄰墩臺樁基持力層選擇在同一地質層面上，其差異沉降不會超過規范規定的限值。

4 對城市軌道交通高架橋選型的建議

城市軌道交通高架橋宜選用箱梁配以輕型墩臺型式，可采用現澆法施工?；A應根據橋址地質情況確定。今后需抓緊大噸位運輸、吊裝設備的研制和開發，并提出相應的施工工藝，以降低造價。并建議對槽型梁和下承式脊梁的研究投入力量。

[1]GB50157-2003，地鐵設計規范[S].

[2][日]松浦章夫.高速鐵路線上橋梁動力性能研究[J].國外橋梁，198l(2)：45～62.