預(yù)制U梁在青島13號線軌道交通中的應(yīng)用

張魯明，王利偉，岳章勝

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 青島226061）

預(yù)制U梁在青島13號線軌道交通中的應(yīng)用

張魯明，王利偉，岳章勝

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 青島226061）

通過預(yù)制薄壁U梁與傳統(tǒng)箱梁的設(shè)計(jì)比選，詳細(xì)闡述了預(yù)制U梁結(jié)構(gòu)在城市軌道交通工程設(shè)計(jì)時的結(jié)構(gòu)形式采用和需要注意的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)。結(jié)合青島13號線軌道交通工程，分析了預(yù)制薄壁U梁結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、景觀等多方面比選，為今后同類的高架橋工程上部結(jié)構(gòu)選型提供了依據(jù)。

預(yù)制薄壁結(jié)構(gòu)；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(qū)，總體呈東北-西南走向。線路起于開發(fā)區(qū)的嘉陵江路站，經(jīng)由經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、靈山灣影視文化產(chǎn)業(yè)區(qū)、新區(qū)中心區(qū)、古鎮(zhèn)口創(chuàng)新示范園、董家口經(jīng)濟(jì)區(qū)，終于董家口火車站。該項(xiàng)目為沿線各重點(diǎn)功能區(qū)、重點(diǎn)發(fā)展區(qū)及組團(tuán)間提供方便快捷的交通方式，與地鐵M6線、12號線、M1線實(shí)現(xiàn)換乘，對引領(lǐng)城市發(fā)展，全面支持西海岸經(jīng)濟(jì)新區(qū)的建設(shè)，快速聯(lián)系西海岸五大功能板塊，通過與膠州灣環(huán)線的換乘，實(shí)現(xiàn)與軌道交通線網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合。13號線線路正線全長70.02 km，設(shè)車站23座，其中地下站9座，高架站14座，設(shè)車輛基地1處、停車場2處。該項(xiàng)工程初、近、遠(yuǎn)期均采用B1型車4輛編組，系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)能力30對/h。最高運(yùn)行速度120 km/h。

該項(xiàng)工程為預(yù)制薄壁U梁在全國首次大規(guī)模應(yīng)用。我國自2000年上海明珠線建成以來，國內(nèi)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(shè)運(yùn)營，增強(qiáng)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(yīng)用只是在上海地鐵16號線，設(shè)計(jì)單位為法國的一家公司；國內(nèi)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)并建成的只有南京地鐵二號線東延段的1.185 kmU梁試驗(yàn)段和重慶地鐵一號線的沙坪壩站-大學(xué)城站的6.9 km U梁試驗(yàn)段。青島軌道交通13號線工程高架區(qū)間長度約51.46 km，為全國之最。

2 U梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在軌道交通工程應(yīng)用中，與箱梁等傳統(tǒng)梁型相比，U型梁具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：

（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(shù)參數(shù)，優(yōu)化車輛運(yùn)行條件，節(jié)能同時降低運(yùn)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(jié)構(gòu)具有阻隔輪軌噪聲的作用，相當(dāng)于3 m高的聲屏障。U型梁沒有列車震動引起的箱梁體內(nèi)的混響噪聲。

（3）橋梁建筑造型效果佳，環(huán)境適應(yīng)性好。U型梁梁體纖細(xì)挺拔，與蓋梁、橋墩有機(jī)結(jié)合，造型獨(dú)特。U型梁阻隔輪軌噪聲，減少了聲屏障高度和使用量，環(huán)境影響小。

（4）經(jīng)濟(jì)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(jié)約土建造價。U型梁腹板降噪作用基本可以到達(dá)3 m高聲屏障的效果，以結(jié)構(gòu)100 a使用壽命，聲屏障15 a的使用壽命計(jì)算，在100 a壽命期內(nèi)，聲屏障需要更換5次以上，大幅度降低了高架線環(huán)保工程造價和全壽命周期運(yùn)營成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（5）綜合功能性提高。主體結(jié)構(gòu)本身具有欄桿、聲屏障基礎(chǔ)架和疏散平臺功能。

（6）行車安全。兩側(cè)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(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)梁

3.1.1 設(shè)計(jì)方案

梁部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)構(gòu)造簡單，便于施工架設(shè)。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(jù)以上分析，該線初步確定以下幾個方案進(jìn)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(jié)構(gòu)采用兩片單線U梁并置形式，U梁高1.8 m，梁體內(nèi)，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(yōu)點(diǎn)：

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(jié)構(gòu)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(yù)制，對吊裝設(shè)備起吊能力要求低，可采用小型架橋機(jī)橋上運(yùn)架，也可采用橋下運(yùn)輸、整孔吊裝的架設(shè)方法，運(yùn)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(nèi)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(diǎn)：

a.橫向剛度相對較弱，動力特性稍差，但仍可滿足規(guī)范要求。

b.在渡線區(qū)段及較大跨度節(jié)點(diǎn)橋處，需轉(zhuǎn)換梁型。

c.墩頂蓋梁橫向尺寸較大，需施加預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)：

a.組合箱梁，受力清晰，施工工藝成熟。

b.采用分片預(yù)制，對吊裝設(shè)備起吊能力要求低，可采用小型架橋機(jī)橋上運(yùn)架，也可采用橋下運(yùn)輸、整孔吊裝的架設(shè)方法，運(yùn)架方式靈活。

（3）方案缺點(diǎn)：

a.結(jié)構(gòu)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?yōu)檎w箱梁。

c.后期橋面板、橫隔板的澆筑工作量較大。

d.橋面設(shè)置擋板及聲屏障后，體量較大，側(cè)向視野阻擋較嚴(yán)重。

e.梁高較低，箱梁內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)：

a.單箱單室箱梁截面結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，徐變上拱小，結(jié)構(gòu)動力性能好。

b.跨越能力強(qiáng)，適應(yīng)跨路口的需要。

c.適應(yīng)性好，可方便地用于區(qū)間曲線、渡線段。

（3）方案缺點(diǎn)：

a.梁體自重較大，對運(yùn)架設(shè)備的要求較高。

b.橋面設(shè)置擋板及聲屏障后，體量較大，側(cè)向視野阻擋較嚴(yán)重。

c.梁高較低，箱梁內(nèi)部空間狹窄，不方便后期的維修檢查。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選（見表1）

表1 30 m梁主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比表

通過經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選可以看出，單線U梁并置方案材料用料較省，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(jié)論

經(jīng)綜合分析，以上三個方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，均為可行方案。考慮到青島13號線線路沿線的區(qū)域規(guī)劃、周邊環(huán)境，建議在高架區(qū)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.2.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

橋墩作為高架橋梁的承重結(jié)構(gòu)，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(xù)布置，使得其極易進(jìn)入人們的視線，成為關(guān)注的重點(diǎn)。

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(shè)計(jì)成敗的一個關(guān)鍵因素，除考慮軌道交通結(jié)構(gòu)自身受力特點(diǎn)外，更要從景觀及視覺上加以著重考慮，應(yīng)通過研究比較，使采用的墩形與周邊景觀及上部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)統(tǒng)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(dá)其自身的承載力線，給人看后有一種和諧自然、安全穩(wěn)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(jié)構(gòu)受力要求，即滿足結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

（2）要配合地面道路交通現(xiàn)狀和遠(yuǎn)期規(guī)劃的情況，盡可能地為道路改擴(kuò)建預(yù)留條件。

（3）要與上部結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境和諧統(tǒng)一，并要注重人文景觀的特點(diǎn)。

3.2.3 橋墩設(shè)計(jì)方案

由于區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)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(dú)柱墩。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)主要構(gòu)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(yōu)點(diǎn)是墩頂蓋梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，減少了預(yù)應(yīng)力鋼束張拉，施工簡單，施工速度快。缺點(diǎn)是墩高的適應(yīng)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(xié)調(diào)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(shè)到橋墩外側(cè)，建成后景觀效果略差。故此次設(shè)計(jì)推薦采用方案四，墩柱采用圓端形截面，在直線段預(yù)留安裝泄水管的凹槽。

圖7 橋墩方案圖

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土U梁是一種下承式橋梁結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，同時根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，U梁的有效建筑高度主要與其橫向跨度有關(guān)，而與縱向跨度關(guān)系不大，因而，在跨度加大條件下更能體現(xiàn)其綜合優(yōu)勢，產(chǎn)生更加顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

預(yù)應(yīng)力混凝土U梁在國內(nèi)的發(fā)展長期以來受到制約，其主要原因是國內(nèi)對U梁的理論分析、構(gòu)造措施及施工工藝缺乏深入和全面的分析研究、缺乏實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。通過青島13號線軌道交通工程，分析了預(yù)制薄壁U梁結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、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(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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(shè)計(jì)工作。