城市軌道交通低置橋梁結構方案研究

朱鴻欣

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 引言

城市軌道交通包含高架、地面和地下3種線路敷設形式。為節約造價及方便施工，地面線一般采用填土路基，控制地面線的豎向變形以及減少地面荷載對周邊環境影響一直是困擾設計人員的難題。而低置橋梁則可以將軌道交通運營期間的恒載、活載通過橋墩深基礎傳遞到遠比淺層土承載力高、壓縮模量大的土層，不但減少自身沉降，還可以降低對周邊敏感對象的附加變形影響。低置橋梁結構具備橋梁的基本要素：直接承受設備、車輛等豎向荷載的上部結構——承重梁；由橋墩及基礎組成的下部結構，將豎向荷載傳遞至深層地基土。為適應低矮的線路標高，低置橋梁的橋墩高度很低甚至為零。與常規高度軌道交通橋梁相同，低置橋梁也包括簡支梁橋、連續梁橋、連續剛構橋等結構形式，但是由于橋墩高度大幅降低，使得各種結構形式呈現出與常規高度橋梁不同的特點。例如，與常規高度的簡支梁、連續梁橋相比，同跨徑的低置簡支梁、連續梁橋的下部結構體量可以小得多；與常規高度的連續剛構橋相比，同跨徑的低置連續剛構橋的各組成構件的內力分布更加復雜。

因此，在進行低置橋梁設計時，要綜合分析使用環境、地質條件、氣候特點、線路平縱設計等因素，并研究各種橋梁形式的力學性能、構造特點、使用要求，才能比選出經濟合理的結構形式并完成設計。下面將結合上海市某軌道交通工程中的低置橋梁實例進行分析研究。

2 工程概況

上海市某軌道交通線路終點站位于既有建筑物一層，在距站端1 km處，設計軌面標高降至比地面高1.6 m，并以地面線形式延伸至終點站。該段線路的上行線外側與上海磁浮示范線并行，兩條線路的中心線距離約9.5 m。磁浮示范線軌面標高距地面高差約2.1 m，跨徑24.768 m簡支軌道梁支承于樁基承臺頂面。該段線路下行線外側緊貼人工湖的“L”型截面鋼筋混凝土擋墻。如圖1所示。

工程場地周邊存在諸多影響地面線布置的因素：地面線與磁浮線之間布置有重要的磁浮維修道路，不允許其他構筑物侵入路面；為保證磁浮車輛安全行駛，磁浮線橋墩允許變形限值極小，須嚴格控制外界豎向荷載對其產生的附加變形；地面線軌頂距地面最小高差僅0.2 m，且線路縱斷面無上抬調整余地；地面線緊貼人工湖擋墻，擋墻后土壓力的巨變將直接影響其穩定和安全；工程場地經“圍海造地”形成，地面以下存在深厚軟弱土層，硬土層埋藏較深。

可見，本段地面線如果采用填土路基，其橫向必侵入維修道路路面；由于鄰近磁浮線，地基處理措施選擇項有限且費用不菲，即使進行了地基處理，由地面豎向荷載造成的磁浮線橋墩變形仍超過限值標準。因此，適宜采用低置橋梁結構替代填土路基。

3 低置橋梁結構方案研究

當橋墩高度大幅降低后，不同結構形式的低置橋梁都會呈現出與常規高度橋梁不一樣的特點。

3.1 低置簡支梁橋

由于軟土地區橋墩差異沉降難以控制，因此普遍采用簡支梁橋作為軌道交通高架段標準橋型。橋墩高度大幅降低后，橋梁的基礎設計以及合理跨徑均發生變化。

城市軌道交通工程多采用無縫線路，橋梁結構與無縫鋼軌之間存在著變形差異，為減少該差異在鋼軌中產生的附加應力，要求橋梁結構在縱向具備足夠的剛度。在縱向力作用下，橋墩墩頂的縱向變形是基礎自身縱向變形Δ1、基礎傾斜導致的墩頂縱向變形Δ2以及橋墩受彎縱向變形Δ3的總和，其中Δ2、Δ3的大小與橋墩高度正相關。

橋墩采用摩擦樁群樁基礎時，增加樁數、拉開樁縱向間距可以減小Δ2；增加橋墩截面尺寸可以減小Δ3。因此，當橋墩高度較大時，下部結構的工程量在全橋工程量中占比較大。本工程高架段的標準上部結構采用單箱單室箱梁，橋墩平均高度為10～12 m，基礎采用摩擦樁，下部結構工程量占比約40%，經濟跨徑為30 m。而低置簡支梁橋，在梁型不變的情況下，由于橋墩高度大幅下降，下部結構工程量占比相應劇減，經濟跨徑減小到25 m。

低置橋梁必須考慮梁下預留不小于0.8 m高的凈空以檢修支座。當地面線線路標高較低時，建議采用槽型梁。例如，本工程采用的跨徑25 m簡支箱梁，軌頂到梁底高差2 m；跨徑30 m簡支箱梁，軌頂到梁底高差2.35 m；而跨徑25～30 m槽型梁，軌頂到梁底高差均為0.85 m。因此，當軌頂標高相同時，槽型梁下凈空比箱梁高1.15～1.5 m；當梁下凈空相同，槽型梁適用的軌頂標高比箱梁低1.15～1.5 m。

對于必須采用箱梁的情況，建議采用雙線單箱大箱梁，在梁一端僅設置2個支座，并且將支座盡量靠橫橋向外側布置，以方便支座的檢修維護。

3.2 低置連續梁橋

在低置橋梁結構中，主要在車站前后道岔區域采用連續梁橋，以避免道岔設備跨結構縫設置。與簡支梁橋一樣，低置連續梁橋也需考慮梁下支座檢修的便利性，因此，建議減小跨徑控制梁高，減少梁端支座數量以及將支座靠近梁結構橫橋向外側布置。

3.3 低置連續剛構橋

低置連續剛構橋的最大優點就是取消了支座，從而大幅提高了其對地面線的適應性。連續剛構橋與簡支梁橋、連續梁橋相比，橋墩上、下部結構之間的相互關系更加復雜、緊密，尤其下部結構的縱向抗彎剛度和上部結構的豎向抗彎剛度決定了全橋的內力分布。

由于橋墩高度極低，其自身縱向變形可忽略不計，因此基礎抵抗縱向變形的剛度即下部結構的縱向抗彎剛度值相當大。為使全橋的上、下部結構剛度的比值合理，宜在橋墩高度降低的同時減小承重梁跨徑，這樣可以使結構中的內力分布相對均勻，不致出現數值極大的控制內力，同時降低造價。本工程對2跨一聯、3跨一聯的跨徑10～20 m的低置連續剛構橋分別進行了計算，發現一聯（3×12 m）采用摩擦樁基礎的鋼筋混凝土連續剛構橋結構內力分布較合理，且造價更經濟。

相較于低置簡支梁橋、連續梁橋，連續剛構橋的基礎設計難度大，影響因素多，主要體現在如下3方面。

（1）基礎承受縱向彎矩大幅增加。低置簡支梁橋、連續梁橋橋墩基礎所受縱向彎矩主要由縱向力產生，而低置連續剛構橋承受的大部分縱向彎矩卻來自于豎向荷載作用，以及結構整體升降溫、支點不均勻沉降等效應。例如，對一聯（2×12 m）低置連續梁橋和一聯（2×12 m）低置連續剛構橋進行比較，兩者均采用單箱單室箱梁，下部結構均為縱向單排布置4根φ0.8 m鉆孔樁基礎，其承臺頂縱向彎矩對比如表1所示。由表1可見，由于連續梁橋的承重梁與基礎間沒有轉動約束，因此在荷載作用下，基頂無縱向彎矩。而連續剛構橋的基礎對承重梁在荷載作用下的變形約束強勁，導致其自身承受很大的縱向彎矩。其中邊墩基頂的縱向彎矩達到1 862 kN·m，平均到單樁需要承受466 kN·m的彎矩，而這還未計入無縫線路力以及制動力等水平力荷載。

表1 承臺頂縱向彎矩 kN · m

（2）基礎縱向抗彎剛度的合理取值。如前所述，為保證無縫鋼軌的安全，低置簡支梁橋或連續梁橋的基礎縱向剛度值主要取決于墩頂縱向變形限值要求。而除此之外，低置連續剛構橋更需要考慮基礎縱向抗彎剛度的大小對上、下部結構中彎矩分布的影響。例如一聯（2×12 m）低置連續剛構橋，其基礎分別采用縱向2排布置每排2根φ0.8 m鉆孔樁、縱向單排布置4根φ0.8 m鉆孔樁2種樁基礎布置形式，2種樁基礎布置形式下的樁徑、樁長、樁數均一致，但基礎縱向抗彎剛度相差很大：通過計算可知，2（縱向）×2 （橫向）φ0.8 m鉆孔樁基礎的縱向抗彎剛度為2.87×106kN·m/rad， 1（縱向）×4（橫向）φ0.8 m鉆孔樁基礎的縱向抗彎剛度為1.24×106kN·m/rad，前者是后者的2 倍多。2種樁基礎布置形式下的橋梁承重梁彎矩和承臺頂面彎矩計算結果如表 2、表3所示。由表2、表3可見，當剛構橋基礎縱向抗彎剛度更大時，其承重梁的跨中正彎矩更小，而梁端負彎矩更大，同時橋梁邊墩的承臺頂縱向彎矩更大。因此，梁支點處截面的負彎矩大小、承臺頂的縱向彎矩大小均與基礎的縱向剛度呈正相關，為減小彎矩，在滿足基礎強度、變形要求的前提下，基礎縱向剛度宜小不宜大。適用于低置連續剛構橋的樁基礎宜采用縱向單排樁布置，承臺頂面彎矩可以平均分配給各單樁承擔，通過適當增加樁徑提高單樁抗彎承載能力。

表2 承重梁特征截面彎矩 kN · m

表3 承臺頂面縱向彎矩 kN · m

（3）上部結構預應力對于基礎受力影響明顯。低置連續剛構橋應避免采用預應力混凝土承重梁，原因在于其下部結構剛度極大。剛勁的下部結構相當于對承重梁強勁的約束，因此當對承重梁施加預應力時，必須克服約束的作用并對約束產生相當大的反力，約束越強則反力越大，這就導致低置連續剛構橋的梁內預應力張拉后，作用于橋墩基頂的縱向彎矩極大，并直接造成群樁中各根樁豎向荷載的差異，角樁甚至可能成為受拉樁，這對基礎的安全極為不利。當然決定承重梁梁型的因素很多，當碰到敏感的地下構筑物或管線，必須采用較大跨徑的低置連續剛構橋進行跨越，而承重梁需要采用預應力混凝土結構時，可以在預應力張拉前后對承重梁的約束形式進行調整，例如，預應力張拉前及張拉時，梁下臨時設置板式橡膠支座，保證梁端的轉動變形不受約束，待張拉完畢后再將梁與下部結構進行固結，這樣就可有效地避免預應力給基頂帶來的巨大彎矩。

4 工程實施方案

本工程地面線最終采用了跨徑24 m的低置預應力混凝土簡支梁橋方案，樁基礎形式為2（橫向）×4（縱向）φ0.8 m鉆孔灌注樁，如圖2所示。

采取該方案主要原因在于周邊環境的限制。由于磁浮示范線橋梁跨徑為24.768 m，為盡量減少低置橋梁基礎施工對磁浮橋墩樁基影響，其跨徑采用24 m，與磁浮線橋墩樁基交錯布置，保持最大的平面距離；由于低置橋梁跨徑達到24 m，采用預應力混凝土梁是合理選擇，但如果采用連續剛構橋，則會給下部結構的設計以及全橋的施工帶來很大難度，因此考慮采用24 m簡支梁橋方案；梁截面比選了槽型和箱型截面，由于槽型梁的橫向寬度大，與景觀水池擋墻和磁浮維修道路位置沖突，因此采用箱梁。

為減小結構橫向寬度及預留梁下支座檢修空間，低置橋梁取消了橋面兩側擋墻，并將原先布置于橋面以上的部分電纜移至橋面以下，減小了橋面寬度，同時在橋面以下修筑一條順線路方向延伸的坑道以留出線纜的敷設及檢修空間，從而一并解決了橋梁支座的使用、養護空間問題。

5 結論及建議

（1）場地地質條件差，深厚軟土層廣泛分布，或地下及周邊存在敏感構筑物、管線和設施，并且易受地面豎向荷載產生的不利影響，采用低置橋梁結構可以在滿足軌道交通運營要求的同時減少對周邊環境的不利影響。

（2）低置橋梁結構采用簡支梁橋受力明確、傳力路徑清晰、結構安全、經濟可靠，建議首選。但需特別注意跨徑、梁高的選取，以預留支座檢修空間。當橫向空間充足、跨徑適中時，采用簡支槽型梁更加合理。

（3）當地面線軌頂至地面高差較小時，宜采用低置連續剛構橋。其下部結構的縱向剛度不宜過大，并應與梁的豎向剛度相匹配。建議布置縱向單排大直徑樁基礎，可以在滿足橋梁縱向變形要求的同時，使基礎承受的縱向彎矩合理適中。

（4）低置連續剛構橋跨徑應適中不宜過大，上部結構建議采用鋼筋混凝土梁，避免預應力混凝土梁在預應力張拉后對下部結構產生較大反力。若必須采用較大跨徑的低置預應力混凝土梁橋，則建議合理制定預應力張拉施工及上部結構支承形式轉化方案，將作用于下部結構的縱向彎矩控制在合理范圍內。