蕪湖軌道交通工程軌道梁橋總體設(shè)計

趙 博 劉永鋒

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌是一種中低運量城市軌道交通系統(tǒng),具有環(huán)保性能優(yōu)異、景觀效果好、地形地貌適應能力強、建設(shè)周期短、工程投資低等特點[1-2],特別適合中小城市軌道交通建設(shè)。跨座式單軌交通系統(tǒng)在美國、日本、俄羅斯、新加坡、馬來西亞、阿聯(lián)酋、韓國均有廣泛運用[3],我國重慶軌道交通2 號線、3 號線均采用跨座式單軌[4]。

日本、韓國和我國重慶的單軌軌道梁橋均采用簡支體系,每榀梁端設(shè)置支座和指形板,軌道梁和橋墩結(jié)構(gòu)可分別施工,工序簡單,但存在接縫、支座數(shù)量多帶來的行車舒適性相對較差和養(yǎng)護工作量大等問題。美國拉斯維加斯、馬來西亞、新加坡等單軌軌道梁橋采用連續(xù)體系,支座和指形板數(shù)量相對較少,通過減少接縫和支座數(shù)量提高行車舒適性并減少養(yǎng)護工作量,但是由于存在簡支變連續(xù)的過程,工序相對復雜。

目前,國內(nèi)已有多個城市正在建設(shè)或準備建設(shè)跨座式單軌交通[5]。以下結(jié)合蕪湖軌道交通1 號線、2 號線一期工程,系統(tǒng)介紹跨座式軌道梁橋的設(shè)計要點及創(chuàng)新。

1.1 工程概況

蕪湖軌道交通1 號線全長30.465 km,高架敷設(shè),共設(shè)車站25 座,正線軌道梁橋長27.883 km,占比91.5%;2 號線一期全長15.787 km,地面及高架線長14.378 km,設(shè)高架車站10 座,地下車站1 座,正線軌道梁橋長12.629 km,占比約80%[6]。1 號線和2 號線一期線路平面示意見圖1。

圖1 蕪湖軌道交通1 號線、2 號線一期線路平面

1.2 自然條件

(1)地形地貌

蕪湖市地處長江下游,沿線地形較平坦開闊總體地貌為長江中下游沖積平原。

(2)氣象

沿線屬亞熱帶濕潤季風氣候,氣候溫和,雨量充沛,年平均氣溫12～20 ℃,全年主導風向為東北風,平均風速2.4 m/s。

(3)工程地質(zhì)

沿線表層為第四系覆蓋層,主要有粉質(zhì)黏土、中砂、粗砂、礫砂、圓礫土、卵石土等;下伏基巖主要為泥質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、安山巖、閃長玢巖、石灰?guī)r等。

(4)地震

沿線場地類別為Ⅱ～Ⅲ類,基本地震動峰值加速度值為0.05g,基本地震動反應譜特征周期為0.35 s。

1.3 建設(shè)條件

1 號線和2 號線一期工程分別跨越一次扁擔河(屬于內(nèi)澇河流)。線路橫貫蕪湖市多個城區(qū),主要沿道路中央敷設(shè),路網(wǎng)密集,和市政道路交叉約57 處。

跨越蕪宣高速、蕪馬高速、既有蕪湖長江大橋公路引橋等高等級公路,并結(jié)合高速公路規(guī)劃情況預留跨越條件。

穿越的鐵路主要有寧安高鐵、寧蕪鐵路、商合杭高鐵、淮南鐵路、輪南鐵路共3 處節(jié)點,對軌道交通的建設(shè)影響較大。

與線路交叉的市政管線主要有燃氣管道、給(排)水管道、電力管線、國防光纜、通信(信號)光纜等。

2 主要技術(shù)標準

根據(jù)蕪湖軌道交通1 號線和2 號線一期可研階段、初設(shè)階段的研究成果和批復情況,結(jié)合采用的具體車型情況,選定的技術(shù)標準如下。

(1)系統(tǒng)制式:跨座式單軌,采用CMRⅡ型車。

(2)線路標準:雙線,標準線間距4.6 m,最小平曲線半徑100 m,最高設(shè)計速度80 km/h。

(3)設(shè)計荷載:CMRⅡ型荷載,超員時活載軸重140 kN,定員時活載軸重123 kN,車輛活載圖式見圖2。

圖2 CMRⅡ車型活載圖式(單位:mm)

(4)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限:100 年。

3 高架區(qū)間軌道梁橋設(shè)計

3.1 主要設(shè)計原則

(1)橋梁設(shè)計應遵循安全、適用、耐久、經(jīng)濟、美觀、環(huán)保的基本原則,并充分考慮減振降噪、行車舒適的要求。

(2)墩位布置應符合城市規(guī)劃要求,并結(jié)合對沿線道路交通、鄰近建筑、地下管線及構(gòu)筑物等的影響確定[7]。

(3)軌道梁橋應具有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性[8],必須滿足列車運行、地震、風和其他荷載作用的要求。

(4)軌道梁結(jié)構(gòu)應優(yōu)先采用標準跨度的預制PC梁方案,符合設(shè)計標準化、制造工廠化、施工機械化的方向[9]。

(5)軌道梁橋應滿足軌道梁安裝要求,并滿足機電設(shè)備系統(tǒng)纜線、避雷接地系統(tǒng)的安裝要求,道岔橋和道岔平臺還應滿足道岔平面布置、道岔及其控制系統(tǒng)的安裝和變形控制要求。

(6)區(qū)間軌道梁橋應滿足緊急疏散乘客功能要求[10]。

3.2 結(jié)構(gòu)體系比選和跨徑選擇

適合跨座式單軌軌道梁橋的結(jié)構(gòu)體系有簡支體系、連續(xù)梁體系、連續(xù)剛構(gòu)體系。

簡支體系構(gòu)造簡單、施工方便,在中小型跨徑跨座式單軌中普遍應用,其跨徑在20～25 m 之間;連續(xù)梁體系具有變形小、剛度大、伸縮縫少、行車平穩(wěn)舒適、養(yǎng)護簡單等優(yōu)點,跨徑在20～30 m 之間;連續(xù)剛構(gòu)體系為墩梁固結(jié)上下部整體受力,能取消昂貴的橋梁支座,受力合理,可有效降低支點梁高和橋墩尺寸,滿足低凈空要求,符合視覺上通透、纖細的美感,跨徑在20～30 m 之間。

軌道梁橋各種體系比較見表1。由表1 可知,連續(xù)剛構(gòu)具有整體性好,舒適性高、少伸縮縫、無支座、造價低、養(yǎng)護維修工作量小等突出優(yōu)點,經(jīng)比選,除節(jié)點橋外,標準結(jié)構(gòu)軌道梁橋均采用連續(xù)剛構(gòu)體系。

表1 軌道梁橋3 種體系比較

從墩梁組合的比例來看,跨徑與墩高的比例宜取2～3。本線高架區(qū)間平均墩高為10 m 左右,故采用25 m 或30 m 的跨徑比較協(xié)調(diào),兩種跨徑經(jīng)濟指標相近,施工難度差異較小,但30 m 跨徑較25 m 跨徑通透性強。綜合以上分析,采用2×30 m 或3×30 m 一聯(lián)作為標準跨徑,連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋示意見圖3。

圖3 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋示意(單位:cm)

3.3 墩形和橫斷面設(shè)計

高架橋梁墩柱通常有T 形墩和Y 形墩,墩柱斷面以矩形為主。從結(jié)構(gòu)受力簡潔、施工方便的角度出發(fā),結(jié)合蕪湖當?shù)靥厣珜Χ罩庑芜M行景觀設(shè)計,在T 形墩基礎(chǔ)上提出“鳩茲展翅”的設(shè)計方案,實現(xiàn)了力與美的統(tǒng)一,見圖4。

圖4 墩形設(shè)計方案

結(jié)合限界條件,在兩軌道梁之間設(shè)置區(qū)間檢修疏散通道作為機電設(shè)備系統(tǒng)管線敷設(shè)的通道,兼顧管線綜合、人員疏散、檢修養(yǎng)護等功能,軌道梁橋標準橫斷面見圖5。

圖5 軌道梁橋標準橫斷面(單位:mm)

3.4 基礎(chǔ)設(shè)計

結(jié)合本線地質(zhì)情況,高架區(qū)間選擇采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁基直徑以1.0 m 和1.25 m 為主。結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)受力特點,從選取合理的基礎(chǔ)剛度和控制沉降的角度出發(fā),通過減少樁數(shù)增大樁徑和樁長,選擇中砂、粗砂、圓礫土和各種風化巖層作為樁底持力層,控制基礎(chǔ)變形。

4 特殊節(jié)點軌道梁橋設(shè)計

當軌道梁橋跨度超過30 m 時,由于軌道梁寬度較小,混凝土結(jié)構(gòu)將無法適用,需要采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu),全線特殊節(jié)點軌道梁橋統(tǒng)計見表2。

表2 特殊節(jié)點軌道梁橋統(tǒng)計

4.1 簡支鋼-混凝土結(jié)合軌道梁橋

對于30～48 m 寬的路口,依據(jù)以往的工程實例,多采用T 形縱向懸臂墩托軌道梁的形式跨越[11-12]。從經(jīng)濟性、景觀、施工便利性等方面綜合考慮,提出一種大跨度簡支鋼-混凝土結(jié)合軌道梁,在鋼結(jié)構(gòu)頂面設(shè)置36 cm 厚的混凝土,以增大車輪和混凝土之間的摩擦力,鋼和混凝土共同受力,減少后期頂面養(yǎng)護維修成本。1 號線和2 號線一期工程在跨越不同障礙物或路口處共采用67 榀雙線簡支鋼-混凝土結(jié)合軌道梁和8 榀單線簡支鋼-混凝土結(jié)合軌道梁。

簡支鋼-混凝土結(jié)合軌道梁采用等截面布置,鋼結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室斷面,箱室外寬0.55 m,橫斷面見圖6,雙線軌道梁之間通過鋼橫梁及平聯(lián)連接。下部結(jié)構(gòu)采用矩形墩,墩梁之間采用球形鋼支座連接,墩柱下接承臺樁基礎(chǔ),鋼結(jié)構(gòu)主梁和預制段混凝土在工廠預制,結(jié)合現(xiàn)場實際情況可選擇:①先分段運至橋下拼接并澆筑混凝土后澆段后整孔吊裝架設(shè);②在橋位處搭設(shè)臨時墩分段吊裝橋上拼接再澆筑混凝土后澆段的架設(shè)方法。不同跨度簡支鋼-混凝土結(jié)合軌道梁主要指標和參數(shù)見表3。

表3 簡支鋼-混凝土結(jié)合軌道梁主要指標和參數(shù)

圖6 簡支-鋼混凝土結(jié)合軌道梁橫斷面布置(單位:mm)

4.2 連續(xù)鋼-混凝土結(jié)合軌道梁橋

當跨越大型路口或跨越高等級道路時,跨度需增加至48～65 m,宜采用變截面連續(xù)鋼-混凝土結(jié)合軌道梁。鋼結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室斷面,箱室外寬0.55 m,頂面混凝土厚度為0.36 m,雙線軌道梁之間通過鋼橫梁及平聯(lián)連接(見圖7)。主梁架設(shè)采用分段預制、在橋位處搭設(shè)臨時墩、吊裝至墩頂后拼接、澆筑混凝土后澆段的施工方法。相較于傳統(tǒng)連續(xù)梁上托PC 軌道梁方案,該方案結(jié)構(gòu)高度更低,減少了PC 軌道梁的使用量,鋼結(jié)構(gòu)在工廠預制,現(xiàn)場吊裝施工,對現(xiàn)狀交通影響較小,整體施工周期短,經(jīng)濟性較好(見圖8)。不同跨度連續(xù)鋼-混凝土結(jié)合軌道梁主要指標見表4。

表4 連續(xù)鋼-混凝土結(jié)合軌道梁主要指標

圖7 連續(xù)鋼-混凝土結(jié)合軌道梁橫斷面布置(單位:mm)

圖8 連續(xù)鋼-混凝土結(jié)合軌道梁橋?qū)嵕?/p>

為提高連續(xù)梁負彎矩區(qū)混凝土的抗裂性,在中支點前后負彎矩區(qū)采用抗拔不抗剪剪力釘,以減少混凝土的受拉作用。

4.3 (52+80+52) m 連續(xù)鋼桁軌道梁橋

線路沿赤鑄山路路中走行上跨蕪宣高速扁擔河大橋,該處公路橋分幅設(shè)置,橋面現(xiàn)狀寬度為25.5 m,雙向四車道。經(jīng)和高速公路管理部門溝通,按照拓寬后雙向八車道,橋面寬度42 m 預留條件。由于和高速公路交角達43°,跨度需達到80 m,結(jié)合跨座式單軌“梁軌合一”的特點[13],提出(52+80+52) m 連續(xù)鋼桁軌道梁,利用主桁上弦桿作為軌道梁。相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)梁上托軌道梁結(jié)構(gòu),桁式結(jié)構(gòu)整體剛度較大,桿件結(jié)構(gòu)纖細景觀效果較好,可有效降低結(jié)構(gòu)高度及工程造價。另外,由于地處高速公路橋、市政道路橋、河流交叉地段,臨時墩設(shè)置條件受限,為降低對既有建筑物的影響,采用非對稱墩底轉(zhuǎn)體的施工方法,轉(zhuǎn)體長度為(51.9+63.5) m,有效降低施工期間對高速公路運營安全的影響,交叉點平面示意和立面布置見圖9、圖10。

圖9 跨越點平面示意

圖10 立面布置(單位:m)

連續(xù)鋼桁軌道梁全長183.8 m,桁高5.7 m,桁寬4.6 m,主桁弦桿均采用箱形截面,上弦桿外高1.88 m,下弦桿外高0.65 m,受車輛限制外寬均為0.55 m。斜腹桿采用H 形截面和箱型截面,豎桿采用H 形截面,主桁上、下弦桿節(jié)點均采用整體節(jié)點形式。上、下弦桿除上弦桿頂板為焊接外,其余均采用高強度螺栓拼接,橫斷面布置見圖11,實景見圖12。

圖11 橫斷面布置(單位:mm)

圖12 連續(xù)鋼桁軌道梁實景

4.4 (2×70) m T 構(gòu)單軌組合橋

線路在弋江路站至文化路站區(qū)間自東向西依次穿越寧安客專上下行線、寧蕪鐵路上下行線及牽出線、合杭高鐵上下行線等7 條股道,交叉角度約為90°,為全線控制性工程,擬采用(2×70) m T 構(gòu)單軌組合橋跨越。為減少對鐵路的影響,降低施工風險,采用墩頂轉(zhuǎn)體法施工[14-15]。整幅轉(zhuǎn)體長度為2×69.9 m,順時針旋轉(zhuǎn)83°,不設(shè)置合龍段和邊跨現(xiàn)澆段,立面布置見圖13。

圖13 (2×70) m T 構(gòu)單軌組合橋立面(單位:m)

鋼軌道梁截面總高1.5 m,外寬0.55 m,單箱單室截面。頂板厚24 mm,底板厚24 mm,腹板厚16 mm,底板下布置剪力釘,通過承軌臺和T構(gòu)主梁連接,承軌臺截面為矩形,寬1.3 m,高0.35 m。T 構(gòu)主梁采用變高度單箱單室直腹板箱梁結(jié)構(gòu),梁高3.2～6.9 m,箱梁板頂寬9.6 m,底板寬5.6 m,共劃分為17 個梁段。采用單向預應力體系,縱向預應力鋼束采用17 -φS15.2 和19-φS15.2 鋼絞線,混凝土主梁采用C55 混凝土。橫斷面布置見圖14。

圖14 橫斷面布置(單位:mm)

5 結(jié)語

蕪湖軌道交通1 號線、2 號線一期沿線多為城市建成區(qū),市政路網(wǎng)縱橫交錯,穿越多條高等級道路和高速鐵路,地下管線眾多,建設(shè)條件極其復雜。在保證結(jié)構(gòu)安全適用的前提下,本著綠色環(huán)保、經(jīng)濟美觀、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的設(shè)計理念,結(jié)合建設(shè)條件,采用新結(jié)構(gòu)、新工藝,創(chuàng)新和豐富我國跨座式單軌交通軌道梁橋技術(shù),通過研究取得如下成果。

(1)采用連續(xù)剛構(gòu)PC 軌道梁橋,將PC 混凝土軌道梁跨度提升至30 m,減少接縫板和支座的使用量,提高舒適度的同時降低造價。

(2)提出雙線簡支和連續(xù)鋼-混凝土結(jié)合軌道梁方案,解決跨度為30～65 m 之間PC 軌道梁難以實現(xiàn)的問題,采用鋼混組合結(jié)構(gòu),在節(jié)省用鋼量的同時改善橋面的防滑性能和結(jié)構(gòu)噪聲、振動問題;采用下平聯(lián)將兩榀軌道梁連接,增強了結(jié)構(gòu)的整體性,結(jié)構(gòu)美觀通透,避免采用傳統(tǒng)梁上托梁結(jié)構(gòu)體量較大的問題。

(3)設(shè)計主跨為80 m 的連續(xù)鋼桁軌道梁,利用主桁上弦桿作為軌道梁,可降低結(jié)構(gòu)高度及制造難度,豐富跨座式單軌軌道梁橋類型,采用非對稱轉(zhuǎn)體跨越高等級公路,降低施工期間對高速公路運營安全的影響。

(4)采用2-70 m 轉(zhuǎn)體法施工的大跨度跨座式單軌組合橋跨越多條高速鐵路,借鑒高速鐵路無砟軌道預制簡支箱梁軌道板與橋面的連接構(gòu)造,鋼軌道梁底部承軌臺范圍采用剪力釘與T 構(gòu)主梁進行連接,承受豎向與縱向剪力,去掉了傳統(tǒng)的支座連接,降低結(jié)構(gòu)高度的同時降低造價。