上海市域鐵路橋梁主要技術標準分析

王法武

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

1 概 述

上海市域鐵路是中心城區聯接周邊城鎮組團及城鎮組團之間的快速度、大運量、公交化的軌道交通系統，是綜合交通體系的重要組成部分。市域鐵路自成體系、獨立運營，重要節點宜與國鐵線路互聯互通，具備貫通運營條件。上海市域鐵路最高設計速度200 km/h，采用單相工頻交流25 kV牽引供電制式，僅運行動車組列車，正線采用雙塊式無砟軌道。本文對上海市域鐵路橋梁關鍵技術進行分析，為今后市域鐵路橋梁設計提供參考。

2 列車設計活載

我國鐵路橋梁設計荷載圖式是采用概化的包絡圖式，列車活載制定的總體原則是“設計荷載圖式靜效應×設計動力系數＞運營車輛靜效應×運營動力系數”[1，2]。

我國高速鐵路（新建設計時速250～350 km/h的客運專線）列車設計活載采用ZK活載[6]。

ZK活載制定時兼顧考慮以下列車荷載：（1）高速列車：德國ICE列車、法國TGV列車、日本200系列車；（2）跨線客車：SS8+客車和DF11+客車；（3）跨線貨車：8K雙機+C62貨車和DF4+C62貨車；（4）養路機械荷載[1]。因此上海市域鐵路橋梁如采用ZK活載會有較大富裕量，不夠合理經濟。

根據2011年組織開展的“時速250 km以下客運專線鐵路（城際鐵路）設計活載及橋梁結構相關技術標準研究”結論，時速200 km及以下、不開行機車牽引旅客列車的城際鐵路可采用ZC活載[3，5]。城際鐵路ZC活載圖式見圖1。

圖1ZC活載圖式

由中國鐵道學會發布的鐵道行業團體標準《市域鐵路設計規范》T/CRS C0101-2017中提出ZS活載圖式。ZS活載圖式適用于設計速度不大于160 km/h、僅運行動車組的客運專線鐵路，ZS活載圖式見圖 2[4，9]。

圖2 ZS活載圖式

以下是ZC活載與ZS活載的對比分析。

以跨度32 m雙線簡支箱梁為例，采用ZC活載時，跨中截面位置的恒載與活載彎矩之比為2.25∶1，活載彎矩占總彎矩的30.8%；采用ZS活載時，跨中截面位置的恒載與活載彎矩之比為3.07∶1，活載彎矩占總彎矩的24.6%。可見列車活載占比較小。

對于設計速度160 km/h的市域鐵路，采用ZC活載和ZS活載的經濟性對比分析如下：上海地區為軟土地質，樁基為摩擦樁，樁基由沉降控制。橋墩采用鋼筋混凝土結構，墩身截面尺寸主要由剛度控制。采用兩種不同的活載圖式，樁基和橋墩工程量無差異。不同活載圖式主要影響上部結構工程量。以跨度32 m雙線簡支箱梁為例，采用ZC活載設計時，一孔梁配置的預應力鋼絞線用量為9.1 t；采用ZS荷載時，一孔梁配置的預應力鋼絞線用量為8.3 t，兩者相差9.7%。一孔32 m雙線簡支箱梁上部結構造價87萬，上部和下部結構總造價256萬。增加的鋼絞線費用占上部結構造價的0.7%，占上、下部總造價的0.25%。

綜上，對于剛度及沉降控制要求嚴格的市域鐵路橋梁，列車活載占比較小，列車活載圖式的變化對工程經濟性影響不明顯。

根據上海市域鐵路的功能定位，僅運行最高設計速度200 km/h及以下動車組，重要節點與國鐵互聯互通，具備貫通運營條件。因此，上海市域鐵路采用和城際鐵路相同的活載圖式，即采用ZC活載圖式。

3 橋梁結構形式

客運專線和城市軌道交通橋梁一般采用箱梁，個別城市軌道交通也有采用U梁。普速鐵路一般采用T梁。箱梁整體性好而且簡潔、美觀、便于施工，U梁能適當降低線路縱斷面且具有一定的降噪功能，T梁經濟性較好且施工方便。

考慮城市景觀要求和預留聲屏障基礎預埋件，市域鐵路橋梁推薦采用箱梁。箱梁抗扭剛度大，受力性能好，對于線路平面的適應性好。

4 橋墩結構形式

鐵路橋梁一般采用圓端型實體橋墩，橋墩按素混凝土結構設計[7]，配置護面鋼筋。橋墩尺寸一般較大。

市域鐵路一般在城市道路路中或路側敷設，空間狹小，對橋梁景觀要求高，橋墩設計力求纖細、美觀，借鑒城市軌道交通橋梁設計經驗，市域鐵路橋墩采用矩形花瓶式橋墩，按照鋼筋混凝土結構設計。

5 抗震設計

市域鐵路橋梁抗震分析按現行國家標準《鐵路工程抗震設計規范》GB50111的規定執行。橋墩抗震設計時，蓋梁、節點及基礎應作為能力保護構件，并按能力保護原則設計。

6 橋墩縱向水平線剛度

市域鐵路采用跨區間無縫線路，為保證橋上無縫線路的穩定和安全性，必須檢算由于溫度變化、列車制動等產生的鋼軌附加應力。現有大量實驗研究成果表明：列車制動作用下，橋梁墩臺頂縱向制動附加力和分布除受輪軌粘著系數、線路阻力等參數影響外，主要由墩臺頂縱向水平線剛度及相鄰墩臺頂剛度匹配所決定。因此墩臺合理的縱向線剛度限值是橋梁及橋上線路設計的關鍵參數之一。

《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）規定：橋墩線剛度限值應根據工程條件及扣件阻力經鋼軌動彎應力、溫度應力、制動應力和制動附加力的計算確定。不作計算時，可按表1規定取值[8]。

表1 地鐵橋墩墩頂縱向水平線剛度限值

《城際鐵路設計規范》（TB 10623—2014）規定：混凝土簡支梁橋墩頂部水平線剛度應滿足表2規定的限值要求[5]。

表2 城際鐵路橋墩墩頂縱向水平線剛度限值

根據理論分析和現有資料分析，地鐵規范規定的橋墩縱向線剛度限值偏大。上海市域鐵路橋墩縱向水平線剛度采用城際鐵路的限值標準。

7 豎向自振頻率

豎向自振頻率反映了結構的動力性能。對于市域鐵路橋梁，由于其列車荷載會產生頻率較高的激振荷載，當激振頻率和結構自振頻率接近時，產生較大振動。所以設計要對頻率限值作規定，目的是使設計的橋梁自振頻率盡量避開激振頻率，橋梁不要產生較大振動。

市域鐵路對簡支梁豎向自振頻率限值的規定與城際鐵路相同。

8 結構變形

市域鐵路橋梁對結構變形的控制體現在對梁體撓跨比、梁端轉角、梁體殘余徐變變形、墩臺基礎工后沉降等方面，具體限值要求同《城際鐵路設計規范》。

橋梁的撓跨比反映了其抗彎剛度。它定義為列車靜活載作用下橋梁的撓度和跨度之比。控制橋梁撓度的主要目的是滿足車輛的乘坐舒適度要求，當然也保證行車的安全性以及減小對橋梁的沖擊。但舒適性和安全性相比，一般是舒適性控制。

限制梁端轉角大小是為了保證梁端扣件系統的受力及線路安全，減小運營期間的維修工作量。梁端折角愈大，鋼軌扣件上拔力愈大；支座外懸臂長度愈長，上拔力也愈大。

對梁體殘余徐變變形的控制主要是為了滿足線路平順性要求。

橋梁墩臺基礎工后沉降限值主要是為滿足列車運行安全和舒適要求。

9 施 工

市域鐵路對橋梁施工提出較高要求，應優先考慮預制拼裝結構。橋梁上部結構可以采用整孔預制架設、節段預制拼裝施工工法。整孔預制架設梁場占地面積大，對運架要求高；節段預制拼裝梁場占地小，對運架設要求低。

鐵路和城市軌道交通橋墩一般采用現澆施工，借鑒城市高架橋墩預制拼裝施工經驗，可采用預制拼裝施工。

樁基根據具體場地條件可采用鉆孔樁、高頻免共振鋼管樁、PHC預制管樁。城市中心城區對環境保護要求高，秉承綠色施工理念，可采用高頻免共振鋼管樁。郊區人口稀少地區可采用PHC預制管樁或鉆孔樁。

10 結 語

（1）上海市域鐵路最高設計速度200 km/h，重要節點宜與國鐵線路互聯互通，車輛采用和諧號CRH6型城際動車組。橋梁列車設計活載采用城際鐵路列車活載，即ZC荷載。

（2）考慮城市景觀要求和預留聲屏障基礎預埋件，市域鐵路橋梁推薦采用箱梁。箱梁抗扭剛度大，受力性能好，對于線路平面的適應性好。

（3）借鑒城市軌道交通橋梁設計經驗，市域鐵路橋墩采用花瓶式橋墩，按照鋼筋混凝土結構設計。橋墩抗震設計時，蓋梁、節點及基礎應作為能力保護構件，并按能力保護原則設計。

（4）考慮市域鐵路運營安全性和舒適性要求，對簡支梁豎向自振頻率、梁體撓跨比、梁端轉角、梁體殘余徐變變形、墩臺基礎工后沉降等應控制，具體限值標準與《城際鐵路設計規范》相同。

（5）秉承綠色施工理念，城市環境對市域鐵路橋梁施工提出較高要求，應優先考慮采用預制拼裝結構。