南亞某城市軌道交通工程高架橋梁體選型及結(jié)構(gòu)分析

商耀兆

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

1 常用梁型的特點(diǎn)分析

1.1 T 型梁

T 型梁曾是中國(guó)最廣泛采用的梁式，在中國(guó)的鐵路建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。梁體結(jié)構(gòu)可以由幾片 T 梁相互聯(lián)結(jié)而成，施工方便，且構(gòu)件容易修復(fù)或更換，如圖 1 所示。T 型梁施工一般采用梁場(chǎng)預(yù)制，架橋機(jī)或汽車(chē)吊架設(shè)。T 型梁的受力結(jié)構(gòu)合理，工程造價(jià)非常經(jīng)濟(jì)。

圖1 T 型梁

T 型梁的缺點(diǎn)是橫向剛度和抗扭剛度比較差，梁底有明顯的縱橫肋，景觀效果較差。這些缺點(diǎn)使得 T 型梁在中國(guó)城市軌道橋梁中很少被采用。

1.2 箱型梁

箱梁是目前中國(guó)軌道交通高架橋采用最多的梁式之一，它的特點(diǎn)是建筑高度適中，力學(xué)性能好，豎向剛度、橫向剛度和抗扭剛度都好，整體性好。它既可用于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段，又可用于變寬、道岔區(qū)段，既適宜作簡(jiǎn)支梁，也可作連續(xù)梁，如圖 2 所示。簡(jiǎn)支箱梁一般采用整孔預(yù)制架設(shè)或支架現(xiàn)澆法施工。

圖2 箱型梁

1.3 U 型梁

U 型梁又稱(chēng)槽型梁，早在 20 世紀(jì) 70 年代中國(guó)已開(kāi)始研究。U 型梁是下承式結(jié)構(gòu)，與箱型梁、T 型梁等上承式梁相比，最大優(yōu)點(diǎn)是建筑高度可以做到很低，兩側(cè)腹板可作聲屏障，上部翼緣板可做疏散平臺(tái)，如圖 3 所示。但其結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，抗扭剛度小。U 型梁一般分為并置型單線梁和整體型雙線梁。

圖3 U 型梁

雙線 U 型梁的圬工量比較大，一般需布置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，造價(jià)高于箱梁（約為 1.5～2 倍）。雙線 U 型梁的工程應(yīng)用具有明顯的局限性，一般僅在線路高程和橋下凈空受到限制的特定工點(diǎn)中使用。因此，中國(guó)鐵路使用這種 U 型梁的橋梁數(shù)量很有限。

單線 U 型梁的結(jié)構(gòu)板厚小，截面外形尺寸小，30 m跨簡(jiǎn)支單線 U 型梁的平均截面面積一般為 2.2～2.4 m2，底板厚度 24～26 cm，截面高度約 1.7～1.9 m，結(jié)構(gòu)重量165～200 t，工程量比箱梁小。這種U型梁一般采用整孔預(yù)制，架橋機(jī)或汽車(chē)吊架設(shè)。

1.4 山型梁

山型梁有較多優(yōu)點(diǎn)，如圬工量小、底板不需要預(yù)應(yīng)力鋼束、較為經(jīng)濟(jì)、建筑高度小、可以壓低線路標(biāo)高、兩側(cè)腹板可作聲屏障、上部翼緣板可做疏散平臺(tái)等，如圖 4 所示。

圖4 山型梁

但山型梁的底板薄而寬，比較脆弱，對(duì)施工工藝的要求很高。山型梁有6 個(gè)支座，對(duì)施工時(shí)安裝支座的精度要求很高，后期養(yǎng)護(hù)維修的頻次較高。

1.5 連續(xù)剛構(gòu)

連續(xù)剛構(gòu)的經(jīng)濟(jì)跨度比常規(guī)簡(jiǎn)支梁的大，一般為 35～40 m，梁高一般在 2 m 左右，如圖 5 所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是整體性好，列車(chē)活載下的豎向變形??；連續(xù)剛構(gòu)的跨度較大，能增加市區(qū)的通透性，降低對(duì)環(huán)境的影響；它不用設(shè)置支座，抗震性能好，地震落梁風(fēng)險(xiǎn)低。但基礎(chǔ)不均勻沉降會(huì)使此超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的內(nèi)力。

圖5 連續(xù)剛構(gòu)

1.6 小跨剛架

小跨剛架結(jié)構(gòu)的跨度一般在 10～20 m。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是抗震性能好，整體性強(qiáng)，具有一定的延性。若橋址處于高烈度地震區(qū)，或處于地震帶斷層附近，采用小跨剛架是可選擇的方案之一。

1.7 其他結(jié)構(gòu)

除了以上介紹的幾種結(jié)構(gòu)，還有空心板梁、工字型組合梁、脊骨梁等。

2 梁體選型

項(xiàng)目所在的城市是該國(guó)最大省的省會(huì)，人口數(shù)量約 1 000 萬(wàn)。為緩解日益增長(zhǎng)的城市交通壓力，啟動(dòng)了該國(guó)第一個(gè)城市軌道交通的建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)具有重要意義。線路長(zhǎng)度 27.28 km，橋梁長(zhǎng)度為22.84 km，約占線路總長(zhǎng)度的 84%。

線路大致為南北走向，穿越市區(qū)，并且位于城市主干道的道路中央，是當(dāng)?shù)爻鞘械臉?biāo)志性工程，景觀要求高。根據(jù)業(yè)主的要求，本工程需嚴(yán)格控制土建工程投資，采用經(jīng)濟(jì)性較好的結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)負(fù)碛衅?chē)吊等工程機(jī)械，具有吊裝的施工能力。梁場(chǎng)設(shè)在靠近工程線位的郊區(qū)，梁體可通過(guò)市政道路運(yùn)輸。

綜合以上因素及表 1 常見(jiàn)梁型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，該城市軌道交通項(xiàng)目的通用梁型采用了單線簡(jiǎn)支 U 型梁方案。

表1 常見(jiàn)梁型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

3 單線 U 型梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

單線簡(jiǎn)支 U 型梁的標(biāo)準(zhǔn)跨度為 30 m，梁體總高1.8 m，梁體總寬 5.06 m，跨中處底板厚度 0.25 m，兩端支點(diǎn)處底板厚度 0.35 m。軌頂面至腹板上緣距離約 1 m。U 型梁采用 2 個(gè)單線梁并置，標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段線間距 4.9 m。

3.1 梁體變形計(jì)算分析

圖6 為梁體變形有限元計(jì)算模型，圖 7～圖 9 為有限元計(jì)算模型計(jì)算給出的不同荷載情況下的梁體變形云圖，由圖 7～圖 9 可見(jiàn)：

（1）在列車(chē)靜載作用下，跨中最大豎向變形為7.4 mm，小于 30 000/2 000 = 15 mm，滿足規(guī)范要求；

（2）在列車(chē)靜載作用下，兩側(cè)腹板向中心靠攏，兩側(cè)腹板向內(nèi)側(cè)變形分別為 1 mm、0.8 mm，相對(duì)位移為 1 mm + 0.8 mm = 1.8 mm，其變形和相對(duì)位移均很?。?/p>

（3）在列車(chē)荷載、恒載、附加荷載作用下，兩側(cè)腹板向 U 型梁中心偏移，兩側(cè)腹板向內(nèi)側(cè)變形分別為3.5 mm、2.0 mm，相對(duì)位移為 3.5 mm + 2.0 mm = 5.5 mm，其變形和相對(duì)位移亦均較小。

圖6 U 型梁空間實(shí)體有限元模型圖

圖7 列車(chē)荷載下梁體整體豎向變形云圖（單位：m）

圖8 列車(chē)荷載下兩腹板橫向變形云圖（單位：m）

圖9 列車(chē)荷載、恒載、附加荷載下梁體橫向變形云圖（單位：m）

3.2 梁體模態(tài)計(jì)算分析

圖10～圖 12 給出了梁體結(jié)構(gòu)的前 3 階模態(tài)。由圖10～圖 12 可知，一階模態(tài)為結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)，穩(wěn)定系數(shù)K= 78.2，結(jié)構(gòu)二階和三階模態(tài)均是兩側(cè)腹板的局部扭轉(zhuǎn)，穩(wěn)定系數(shù)K分別為 84.14 和 87.36，均滿足穩(wěn)定系數(shù)K≥4.0 的要求，可見(jiàn)梁體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖10 一階屈曲模態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)K= 78.2

4 典型工點(diǎn)的其他梁型

4.1 雙線 U 型梁

由于道岔梁上有兩線間的渡線，需做成整體式的雙線U型梁結(jié)構(gòu)（圖 13）。為方便施工、節(jié)省投資，道岔梁采用簡(jiǎn)支梁。根據(jù)道岔布置要求，雙線道岔梁分為22 m、28 m、30 m 等跨度，梁縫需避開(kāi)道岔敏感區(qū)。道岔 U 型梁采用每端 4 個(gè)支座，以改善梁端的橫向受力。道岔 U 型梁與區(qū)間單線 U 型梁由于其外輪廓尺寸不一致，在銜接處需設(shè)置結(jié)構(gòu)過(guò)渡措施。

圖11 二階屈曲模態(tài)，穩(wěn)定系數(shù) K = 84.14

圖12 三階屈曲模態(tài)，穩(wěn)定系數(shù) K = 87.36

圖13 雙線 U 型梁

4.2 組合 U 型梁

本工程跨越該市最大的火車(chē)站，站內(nèi)股道眾多，但車(chē)站的列車(chē)通行頻次不高，且某些股道可以臨時(shí)中斷?？紤]經(jīng)濟(jì)性因素，在股道中間設(shè)置橋墩，采用簡(jiǎn)支箱體組合成 U 型梁。以 52 m 簡(jiǎn)支組合 U 型梁為例，7 個(gè)箱體并置，箱體寬 1.0 m，高 2.5 m（圖 14）。箱體在梁場(chǎng)預(yù)制，箱體就位后在上面現(xiàn)澆 U 型橋面系，與兩側(cè)橋面系順接。

圖14 箱體組合 U 型梁

5 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通高架橋的梁型較為多樣，各有特點(diǎn)，且在一定范圍內(nèi)適用。因此梁體選型時(shí)需結(jié)合項(xiàng)目具體情況，如人文環(huán)境、城市建筑風(fēng)格、場(chǎng)地狀況、交通條件、地質(zhì)情況等，選用合理的梁型，打造精品工程，助力城市的現(xiàn)代化交通發(fā)展。