城市軌道交通低置橋梁結(jié)構(gòu)方案研究

朱鴻欣

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）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(shè)形式。為節(jié)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(huán)境影響一直是困擾設(shè)計人員的難題。而低置橋梁則可以將軌道交通運(yùn)營期間的恒載、活載通過橋墩深基礎(chǔ)傳遞到遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)具備橋梁的基本要素：直接承受設(shè)備、車輛等豎向荷載的上部結(jié)構(gòu)——承重梁；由橋墩及基礎(chǔ)組成的下部結(jié)構(gòu)，將豎向荷載傳遞至深層地基土。為適應(yīng)低矮的線路標(biāo)高，低置橋梁的橋墩高度很低甚至為零。與常規(guī)高度軌道交通橋梁相同，低置橋梁也包括簡支梁橋、連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋等結(jié)構(gòu)形式，但是由于橋墩高度大幅降低，使得各種結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出與常規(guī)高度橋梁不同的特點(diǎn)。例如，與常規(guī)高度的簡支梁、連續(xù)梁橋相比，同跨徑的低置簡支梁、連續(xù)梁橋的下部結(jié)構(gòu)體量可以小得多；與常規(guī)高度的連續(xù)剛構(gòu)橋相比，同跨徑的低置連續(xù)剛構(gòu)橋的各組成構(gòu)件的內(nèi)力分布更加復(fù)雜。

因此，在進(jìn)行低置橋梁設(shè)計時，要綜合分析使用環(huán)境、地質(zhì)條件、氣候特點(diǎn)、線路平縱設(shè)計等因素，并研究各種橋梁形式的力學(xué)性能、構(gòu)造特點(diǎn)、使用要求，才能比選出經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式并完成設(shè)計。下面將結(jié)合上海市某軌道交通工程中的低置橋梁實(shí)例進(jìn)行分析研究。

2 工程概況

上海市某軌道交通線路終點(diǎn)站位于既有建筑物一層，在距站端1 km處，設(shè)計軌面標(biāo)高降至比地面高1.6 m，并以地面線形式延伸至終點(diǎn)站。該段線路的上行線外側(cè)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(biāo)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(cè)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(gòu)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(yán)格控制外界豎向荷載對其產(chǎn)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(diào)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(wěn)定和安全；工程場地經(jīng)“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(xiàng)有限且費(fèi)用不菲，即使進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。因此，適宜采用低置橋梁結(jié)構(gòu)替代填土路基。

3 低置橋梁結(jié)構(gòu)方案研究

當(dāng)橋墩高度大幅降低后，不同結(jié)構(gòu)形式的低置橋梁都會呈現(xiàn)出與常規(guī)高度橋梁不一樣的特點(diǎn)。

3.1 低置簡支梁橋

由于軟土地區(qū)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(biāo)準(zhǔn)橋型。橋墩高度大幅降低后，橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計以及合理跨徑均發(fā)生變化。

城市軌道交通工程多采用無縫線路，橋梁結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的附加應(yīng)力，要求橋梁結(jié)構(gòu)在縱向具備足夠的剛度。在縱向力作用下，橋墩墩頂?shù)目v向變形是基礎(chǔ)自身縱向變形Δ1、基礎(chǔ)傾斜導(dǎo)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(guān)。

橋墩采用摩擦樁群樁基礎(chǔ)時，增加樁數(shù)、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(dāng)橋墩高度較大時，下部結(jié)構(gòu)的工程量在全橋工程量中占比較大。本工程高架段的標(biāo)準(zhǔn)上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室箱梁，橋墩平均高度為10～12 m，基礎(chǔ)采用摩擦樁，下部結(jié)構(gòu)工程量占比約40%，經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)工程量占比相應(yīng)劇減，經(jīng)濟(jì)跨徑減小到25 m。

低置橋梁必須考慮梁下預(yù)留不小于0.8 m高的凈空以檢修支座。當(dāng)?shù)孛婢€線路標(biāo)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?shù)搅旱赘卟? m；跨徑30 m簡支箱梁，軌頂?shù)搅旱赘卟?.35 m；而跨徑25～30 m槽型梁，軌頂?shù)搅旱赘卟罹鶠?.85 m。因此，當(dāng)軌頂標(biāo)高相同時，槽型梁下凈空比箱梁高1.15～1.5 m；當(dāng)梁下凈空相同，槽型梁適用的軌頂標(biāo)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(shè)置2個支座，并且將支座盡量靠橫橋向外側(cè)布置，以方便支座的檢修維護(hù)。

3.2 低置連續(xù)梁橋

在低置橋梁結(jié)構(gòu)中，主要在車站前后道岔區(qū)域采用連續(xù)梁橋，以避免道岔設(shè)備跨結(jié)構(gòu)縫設(shè)置。與簡支梁橋一樣，低置連續(xù)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(shù)量以及將支座靠近梁結(jié)構(gòu)橫橋向外側(cè)布置。

3.3 低置連續(xù)剛構(gòu)橋

低置連續(xù)剛構(gòu)橋的最大優(yōu)點(diǎn)就是取消了支座，從而大幅提高了其對地面線的適應(yīng)性。連續(xù)剛構(gòu)橋與簡支梁橋、連續(xù)梁橋相比，橋墩上、下部結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系更加復(fù)雜、緊密，尤其下部結(jié)構(gòu)的縱向抗彎剛度和上部結(jié)構(gòu)的豎向抗彎剛度決定了全橋的內(nèi)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(chǔ)抵抗縱向變形的剛度即下部結(jié)構(gòu)的縱向抗彎剛度值相當(dāng)大。為使全橋的上、下部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分布相對均勻，不致出現(xiàn)數(shù)值極大的控制內(nèi)力，同時降低造價。本工程對2跨一聯(lián)、3跨一聯(lián)的跨徑10～20 m的低置連續(xù)剛構(gòu)橋分別進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn)一聯(lián)（3×12 m）采用摩擦樁基礎(chǔ)的鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布較合理，且造價更經(jīng)濟(jì)。

相較于低置簡支梁橋、連續(xù)梁橋，連續(xù)剛構(gòu)橋的基礎(chǔ)設(shè)計難度大，影響因素多，主要體現(xiàn)在如下3方面。

（1）基礎(chǔ)承受縱向彎矩大幅增加。低置簡支梁橋、連續(xù)梁橋橋墩基礎(chǔ)所受縱向彎矩主要由縱向力產(chǎn)生，而低置連續(xù)剛構(gòu)橋承受的大部分縱向彎矩卻來自于豎向荷載作用，以及結(jié)構(gòu)整體升降溫、支點(diǎn)不均勻沉降等效應(yīng)。例如，對一聯(lián)（2×12 m）低置連續(xù)梁橋和一聯(lián)（2×12 m）低置連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行比較，兩者均采用單箱單室箱梁，下部結(jié)構(gòu)均為縱向單排布置4根φ0.8 m鉆孔樁基礎(chǔ)，其承臺頂縱向彎矩對比如表1所示。由表1可見，由于連續(xù)梁橋的承重梁與基礎(chǔ)間沒有轉(zhuǎn)動約束，因此在荷載作用下，基頂無縱向彎矩。而連續(xù)剛構(gòu)橋的基礎(chǔ)對承重梁在荷載作用下的變形約束強(qiáng)勁，導(dǎo)致其自身承受很大的縱向彎矩。其中邊墩基頂?shù)目v向彎矩達(dá)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(chǔ)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(xù)梁橋的基礎(chǔ)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(xù)剛構(gòu)橋更需要考慮基礎(chǔ)縱向抗彎剛度的大小對上、下部結(jié)構(gòu)中彎矩分布的影響。例如一聯(lián)（2×12 m）低置連續(xù)剛構(gòu)橋，其基礎(chǔ)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(chǔ)布置形式，2種樁基礎(chǔ)布置形式下的樁徑、樁長、樁數(shù)均一致，但基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)布置形式下的橋梁承重梁彎矩和承臺頂面彎矩計算結(jié)果如表 2、表3所示。由表2、表3可見，當(dāng)剛構(gòu)橋基礎(chǔ)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(fù)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(diǎn)處截面的負(fù)彎矩大小、承臺頂?shù)目v向彎矩大小均與基礎(chǔ)的縱向剛度呈正相關(guān)，為減小彎矩，在滿足基礎(chǔ)強(qiáng)度、變形要求的前提下，基礎(chǔ)縱向剛度宜小不宜大。適用于低置連續(xù)剛構(gòu)橋的樁基礎(chǔ)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(dān)，通過適當(dāng)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(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力對于基礎(chǔ)受力影響明顯。低置連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)避免采用預(yù)應(yīng)力混凝土承重梁，原因在于其下部結(jié)構(gòu)剛度極大。剛勁的下部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于對承重梁強(qiáng)勁的約束，因此當(dāng)對承重梁施加預(yù)應(yīng)力時，必須克服約束的作用并對約束產(chǎn)生相當(dāng)大的反力，約束越強(qiáng)則反力越大，這就導(dǎo)致低置連續(xù)剛構(gòu)橋的梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉后，作用于橋墩基頂?shù)目v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(chǔ)的安全極為不利。當(dāng)然決定承重梁梁型的因素很多，當(dāng)碰到敏感的地下構(gòu)筑物或管線，必須采用較大跨徑的低置連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行跨越，而承重梁需要采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時，可以在預(yù)應(yīng)力張拉前后對承重梁的約束形式進(jìn)行調(diào)整，例如，預(yù)應(yīng)力張拉前及張拉時，梁下臨時設(shè)置板式橡膠支座，保證梁端的轉(zhuǎn)動變形不受約束，待張拉完畢后再將梁與下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行固結(jié)，這樣就可有效地避免預(yù)應(yīng)力給基頂帶來的巨大彎矩。

4 工程實(shí)施方案

本工程地面線最終采用了跨徑24 m的低置預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋方案，樁基礎(chǔ)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(huán)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(chǔ)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(dá)到24 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁是合理選擇，但如果采用連續(xù)剛構(gòu)橋，則會給下部結(jié)構(gòu)的設(shè)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?qū)挾却螅c景觀水池?fù)鯄痛鸥【S修道路位置沖突，因此采用箱梁。

為減小結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾燃邦A(yù)留梁下支座檢修空間，低置橋梁取消了橋面兩側(cè)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(shè)及檢修空間，從而一并解決了橋梁支座的使用、養(yǎng)護(hù)空間問題。

5 結(jié)論及建議

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

（2）低置橋梁結(jié)構(gòu)采用簡支梁橋受力明確、傳力路徑清晰、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)可靠，建議首選。但需特別注意跨徑、梁高的選取，以預(yù)留支座檢修空間。當(dāng)橫向空間充足、跨徑適中時，采用簡支槽型梁更加合理。

（3）當(dāng)?shù)孛婢€軌頂至地面高差較小時，宜采用低置連續(xù)剛構(gòu)橋。其下部結(jié)構(gòu)的縱向剛度不宜過大，并應(yīng)與梁的豎向剛度相匹配。建議布置縱向單排大直徑樁基礎(chǔ)，可以在滿足橋梁縱向變形要求的同時，使基礎(chǔ)承受的縱向彎矩合理適中。

（4）低置連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑應(yīng)適中不宜過大，上部結(jié)構(gòu)建議采用鋼筋混凝土梁，避免預(yù)應(yīng)力混凝土梁在預(yù)應(yīng)力張拉后對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大反力。若必須采用較大跨徑的低置預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，則建議合理制定預(yù)應(yīng)力張拉施工及上部結(jié)構(gòu)支承形式轉(zhuǎn)化方案，將作用于下部結(jié)構(gòu)的縱向彎矩控制在合理范圍內(nèi)。