城市軌道交通高架區(qū)間U型梁設計探究

王一瑩

(雄安城市規(guī)劃設計研究院有限公司,河北 容城 071700)

0 前 言

近些年，我國各大主要城市紛紛修建軌道交通，截止2020年年底，中國內地共有40座城市擁有城市軌道交通運營線路，總長7 978.2 km，運營線路247條。同時，隨著軌道交通線網(wǎng)的不斷加密，線路從主城區(qū)延伸到郊區(qū)，高架線的占比也在逐漸增大[1]。通過調研國內已運營和在建的城市軌道交通高架線可知，早些年，國內軌道交通高架橋中較多地采用了簡支箱型梁，包括大箱梁和小箱梁等，但近些年上海、南京、青島等城市的部分軌道交通高架橋也采用了簡支U型梁，施工方法以預制架設或吊裝為主。

有關研究表明[1-2]，相比于箱型梁，U型梁在實用、經(jīng)濟、美觀、環(huán)保等方面存在較明顯的優(yōu)勢，具有較大的應用推廣價值。因此，有必要對U型梁進行更深入的研究。本文將U型梁與其他梁型進行對比分析，同時從力學性能、跨徑選擇等方面出發(fā)，較詳細地討論了U型梁的特點，以期為國內城市軌道交通高架區(qū)間U型梁設計研究提供一定的參考。

1 U型梁與其他梁型的比較

1.1 軌道交通常用梁型

城市軌道交通高架橋有兩大特點：①軌道交通高架橋屬于城市橋梁，因而必須考慮其景觀效果；②軌道交通高架橋具有輪軌系統(tǒng)的特點，包括橋上布置道岔及結構振動等，具有鐵路性質，因而結構自身要有適應性。國內軌道交通高架橋中，T梁截面、小箱梁的使用相對較少，大箱梁截面的應用較多。近些年，U梁作為一種新的結構形式，在上海、南京、青島等城市的軌道交通中得到一些應用，在設計施工中的經(jīng)驗不斷成熟，呈現(xiàn)出一種不斷推廣的趨勢。

1.2 梁型比選

本文對城市軌道交通高架橋中常用的大箱梁、小箱梁、U梁進行對比。

1)梁型整體特性比較。從結構特性、景觀、功能、環(huán)保、施工難度等方面對比大箱梁、小箱梁、U梁的特點，如表1所示。

表1 梁型比較表

2)經(jīng)濟性比較。以一跨30 m梁為例，分別計算梁寬10 m的大箱梁和兩片梁寬為5.42 m的單線小U型梁的工程數(shù)量和造價，列于表2中。

從表2可看出，相比一跨30 m的大箱梁，兩片單線U型梁的混凝土用量減少了約25 m3，普通鋼筋用量基本相當，預應力筋用量增加了1.7 t，結構總造價減少了6.9萬元。

表2 兩種梁型結構工程量和造價對比表

同時由表1的對比可知，U型梁的腹板可兼做欄板和疏散平臺，因此，橋面系造價可大幅度減小。

楊秀仁等[2]學者研究表明：在土建工程費用上，高架區(qū)間U型梁比傳統(tǒng)大箱型梁造價減少約 494萬元/正線公里，土建總造價節(jié)省9.9%。

通過綜合對比，對于城市軌道交通高架橋梁，U型梁具有減振降噪、節(jié)能環(huán)保、造型美觀、橋面系功能好、車輛運行安全、施工便捷、工期短、顯著的經(jīng)濟性等諸多優(yōu)勢，具有較大的推廣應用價值。

2 U型梁特性分析

2.1 兩種U型梁對比分析

對于軌道交通U型梁，主要分為單線小U梁和雙線大U梁。現(xiàn)將兩種U型梁進行性能對比分析，如表3所示。

表3 兩種U型梁對比分析表

綜合對比表明，單線小U梁在結構經(jīng)濟性、線路適應性、降噪性能等多方面存在優(yōu)勢。國內已建成的采用U型梁的高架線均采用單線小U梁。

2.2 單線U型梁受力計算

以國內某城際軌道交通高架區(qū)間采用單線U型梁為例，梁頂部寬5.42 m，高1.8 m，跨徑選取30 m，對其進行計算分析。

采用橋梁博士建立單線U梁模型，混凝土容重為26 kN/m3，鋼結構自重為78.5 kN /m3，二期恒載取35 kN /m，列車軸重140 kN，動力系數(shù)取1.4，人群荷載3 kN /m2。計算模型見圖1。

圖1 計算模型

在運營階段下：①主力組合：主應力為11.8 MPa<18.5 MPa，最小應力2.6 MPa>0，滿足規(guī)范要求；②主+附組合：最大應力11.8 MPa<20.35 MPa，最小應力0.87 MPa>0，滿足規(guī)范要求。

正截面強度驗算：①主力組合：最大抗力強度安全系數(shù)2.5>2.2，滿足規(guī)范要求；②主+附組合：最小抗力強度安全系數(shù)為2.3>2.0，滿足規(guī)范要求。

斜截面抗裂驗算：①主力組合：主拉應力0.3 MPa<3.3 MPa，主壓應力14.8 MPa<22.2 MPa，滿足規(guī)范要求；②主+附組合：主拉應力1.9 MPa<3.3 MPa，主壓應力19.0 MPa<22.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

3 標準梁跨徑選擇

國內已建成的軌道交通高架線，基本沿道路路側或路中敷設，受行人關注度高。因此，標準梁跨徑的選取，除了考慮經(jīng)濟性以外，還應注重景觀效果。

高架區(qū)間平均橋墩高度一般在10 m左右。實際工程表明：當城市橋梁的墩高與跨度比例在1∶2.4～1∶4時，橋梁景觀較好，符合人們的視覺審美習慣。對于常用的25、30 m跨度來說，橋高以8、10 m為佳。因此，橋梁跨徑在30 m左右是合理美學范圍。

軌道交通標準梁常用跨度為25、30 m。這里按照標準梁采用簡支單線U型梁，橋墩采用獨柱墩，基礎采用鉆孔灌注樁，分別計算25 m、30 m跨徑梁在750 m橋梁長度范圍內主要工程數(shù)量，如表4所示。

表4 25 m和30 m梁橋主要工程數(shù)量表

依據(jù)上表750 m橋梁長度范圍內的工程數(shù)量，計算對應的工程造價，并折算成每延米的造價，列于表5中。

表5 10 m墩高工程造價表

從表5可看出，相同墩高下，30 m跨度的U型梁橋經(jīng)濟性更好，每延米造價與25 m相比可節(jié)約0.27萬元。

通過綜合比較，標準簡支梁的跨徑采用30 m為宜。

4 結 論

1)與城市軌道交通常用的箱型梁相比，U型梁具有減振降噪、節(jié)能環(huán)保、造型美觀、橋面系功能好、車輛運行安全、施工便捷、工期短、顯著的經(jīng)濟性等諸多優(yōu)勢，具有較大的推廣應用價值。

2)單線小U型梁比雙線大U型梁適應線路變化能力強、力學特性好、減震降噪性能好。計算表明單線U型梁能滿足設計要求。

3)從景觀和經(jīng)濟性等方面綜合考慮，簡支U型梁的標準跨徑采用30 m為宜。

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