預制U梁在鄭州城市軌道交通高架橋中的應用

摘要：預制U梁作為一種下承式預應力混凝土開口薄壁構件，目前正逐漸成為軌道交通高架橋一種重要的結構形式。通過研究軌道交通預制U梁在鄭州軌道交通高架橋中的應用實踐，并歸納其環(huán)境適應性、設計施工要點及結構受力特點，表明預制U梁的設計施工技術并使其更好地應用到軌道交通高架橋中具有重要的意義，也為其他工程的設計及施工起到一定的借鑒作用。

關鍵詞：軌道交通高架橋;預制U梁;開口薄壁構件

Application of prefabricated U-beam in Zhengzhou Urban Rail Transit Viaduct

Jun-Qing Zhu*

Beijing Urban Construction & Development Group Co.， Limited.， Beijing 100037， China

Abstract： As a kind of through pre-stressed concrete open thin-walled component， prefabricated U-beam is gradually becoming an important structural form of rail transit viaduct. By studying the application practice of prefabricated U-beam in Zhengzhou rail transit viaduct and summarizing its environmental adaptability， design and construction points， and structural stress characteristics， it shows that the design and construction technology of prefabricated U-beam. The better application of prefabricated U-beam to the rail transit viaduct is of great significance and also plays a certain reference role for the design and construction of other projects.

Keywords： Rail transit viaduct; prefabricated U-beam; open thin-walled component

一、前言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，軌道交通高架橋的結構形式也日益豐富。隨著U型梁在國內外的設計實踐，目前正逐漸成為城市軌道交通高架橋的一種重要梁型。U型梁作為一種下承式預應力混凝土空間開口薄壁結構，與傳統(tǒng)的上承式結構有不同的特點，其中在使用功能、建筑景觀、降噪等方面與其他梁型相比具有較大的優(yōu)勢，目前在國內外正逐漸得到推廣和應用，本文以預制U梁在鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程中的應用情況進行分析，表明研究U型梁的設計、施工技術并使其更好地應用其他到軌道交通高架橋中具有重要的意義，同時也為發(fā)展環(huán)境友好型高架線積累一些設計施工經(jīng)驗。

二、U梁國內外應用概況

國外最早的預應力混凝土槽形梁是1952年英國建造的羅什爾汗橋，此后日本、西德、澳大利亞相繼在鐵路橋梁中應用[1]。1980年后我國鐵路在北京等地成功采用20至40 m跨不等的簡支和連續(xù)槽型梁和50 m跨的剛性斜拉索槽型梁[2]。根據(jù)城市軌道交通環(huán)境景觀要求、荷載特點，薄壁開口構件的理論研究及應用[3]，U型梁在槽型梁的基礎上進一步優(yōu)化，截面尺寸更小，經(jīng)過大量的設計、實踐和試驗研究，逐漸形成了具有城市軌道交通特色的U型梁結構[4]。

（一）國外應用概況

國外軌道交通U型梁系統(tǒng)應用實例很多，如智利的圣地亞哥地鐵、荷蘭鹿特丹地鐵延伸線、印度新德里3號線和迪拜軌道交通系統(tǒng)[5]采用了U型梁。

（二）國內應用概況

國內的軌道交通U型梁近年來也不斷發(fā)展，目前已運營和在建的軌道交通項目有上海八號線、南京地鐵二號線東延線和東延線延伸段、上海十一號線、重慶軌道交通一號線（沙大段）、上海十七號線、南京機場線、青島-海陽城際（藍色硅谷段）軌道交通工程、鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程、長春北湖線等設計均采用了U梁，據(jù)目前統(tǒng)計采用U梁的線路長度約達147公里。

三、預制U梁環(huán)境適應性分析

鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程，線路全長41.15 km，其中高架線長約16 km，其余為地下線和過渡段，全線共設車站18座，其中高架車站7座。本工程高架線沿107國道、泰山路和華南城大道敷設，是鄭州市軌道交通第一條采用高架敷設方式的線路。該高架線路穿越了龍湖組團、華南城組團，龍湖鎮(zhèn)重在文化教育、居住和旅游休閑度假，華南城重在商貿(mào)物流，是該區(qū)域重要的人文和商業(yè)連廊。通過以下對本工程高架線路敷設方式的研究，并結合鄭州的人文、歷史、城市規(guī)劃，以及本工程的周邊環(huán)境等因素，推薦采用城市軌道交通高架U型梁系統(tǒng)，能很好的實現(xiàn)安全、耐久、節(jié)能、環(huán)保、環(huán)境友好型工程。

（一）107國道和泰山路段

高架線路沿龍湖鎮(zhèn)內的老107國道路東側、泰山路路中走向，根據(jù)新鄭市總體規(guī)劃，龍湖鎮(zhèn)的發(fā)展方向為文化教育、休閑度假和高科技工業(yè)。將生態(tài)觀念融入規(guī)劃，充分考慮生態(tài)環(huán)境，考慮人、建筑、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展，實現(xiàn)規(guī)劃后的龍湖鎮(zhèn)東部為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，中部鎮(zhèn)區(qū)為綜合經(jīng)濟區(qū)，西部為工礦建材、林果區(qū)。

（二）華南城高架段

經(jīng)華南城西站后，高架線路沿華南城大道路中走向，規(guī)劃實現(xiàn)后的華南城將成為集商貿(mào)交易、物流集散、展示推廣、信息交流、創(chuàng)新促進、產(chǎn)業(yè)培育、特色旅游、城市化綜合配套等八大功能于一體的超大規(guī)模現(xiàn)代綜合商貿(mào)物流城，是一座現(xiàn)代化的新城。

總之，本工程高架線經(jīng)過107國道、泰山路和華南城大道，是典型的城市道路高架線，工程的整體景觀要求高，本工程推薦采用城市軌道交通高架U型梁系統(tǒng)。U型梁利用外腹板折線造型反射光線，減小了梁體的視覺體量，形成橋梁整體纖細挺拔的視覺效果;同時U型梁的外腹板結構可阻隔輪軌噪音，大大減少聲屏障的用量，能較好的與城市周邊環(huán)境相適應，并融于優(yōu)美的現(xiàn)代城市和生態(tài)環(huán)境當中。

四、預制U梁功能特點分析

本工程為鄭州市軌道交通第一條具有高架敷設方式的線，高架段的橋梁應該在總結和借鑒以往高架橋梁工程的基礎上，為充分體現(xiàn)高架橋的優(yōu)勢，選擇什么樣的高架結構形式對實現(xiàn)環(huán)境友好型工程意義重大，推薦采用U型梁系統(tǒng)主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）建筑高度低

作為下承式結構相比上承式結構，有利于上跨、下穿城市道路橋梁，優(yōu)化線路縱斷面和車輛運行條件，降低運營成本[6]。

（二）降噪效果好

對比常規(guī)結構，U梁腹板結構具有阻隔輪軌噪音的作用;U梁沒有列車震動引起的箱梁體內的混響噪音;本工程利用腹板內側貼吸聲材料，可以進一步提高降噪效果[3]。

（三）景觀效果好

U梁不但本身梁體外型優(yōu)美，而且主梁上翼緣和腹板遮擋了外觀較差的橋面系及車輛走行系統(tǒng)，只露出整潔、美觀的上部車體。

（四）經(jīng)濟性好

U梁對比同樣跨度的箱梁截面尺寸小，混凝土用量少，自重及二期荷載輕，可節(jié)約土建造價;U型梁大幅度降低了高架線環(huán)保工程造價和全壽命周期運營成本，減少城市污染，降低噪聲、改善景觀，直接或間接經(jīng)濟效益明顯。

（五）功能性好

U梁結構受力架構本身就是行車和設備的功能架，結構受力需要的主梁上翼緣可兼做檢修及旅客緊急疏散通道，下部空間可布置管線，使得U梁綜合功能性提高。

（六）行車安全

兩側腹板可防止脫軌車輛傾覆下落，給行車安全提供了可靠的保證，且舒適性、平穩(wěn)性和安全性均滿足規(guī)范要求。

（七）工法多樣性

采用梁場預制，運架一體施工，與現(xiàn)澆工法相比具有造價低、有效降低對道路交通及環(huán)境影響，減小后期運營養(yǎng)護費用，節(jié)省全壽命造價等優(yōu)點。

五、預制U梁設計系統(tǒng)研究

軌道交通高架橋作為城市地面的永久性建筑，其結構造型、橋面設備布置方案是否能與城市環(huán)境融為一體，使其成為適應城市景觀的建筑，實現(xiàn)安全、耐久、節(jié)能、環(huán)保、環(huán)境友好型工程，是本工程U梁系統(tǒng)設計方案研究的關鍵，也是要達到的設計目標。

（一）外型研究

全線高架橋梁結構形式應盡量統(tǒng)一，協(xié)調高架結構上、下部各部尺寸，高架線形流暢、勻稱、協(xié)調，強調水平向的延伸感，墩柱規(guī)則、有序，形成韻律感、節(jié)奏感和雄偉的氣勢，整體外形方案如圖1所示。

在方案1和2優(yōu)點的基礎上進行優(yōu)化，方案3對外腹板進行富有規(guī)律的變化，U梁外側突起升高，增加立面陰影面積，視覺上降低U梁視覺高度，層次分明，腹板厚度增大，受力更合理，見圖1所示。方案3整體外型猶如一條騰飛的巨龍，融于蓬勃發(fā)展的城市及自然之中，是現(xiàn)代化城市的一道空中連廊，體現(xiàn)了“和諧、現(xiàn)代、環(huán)?！钡某鞘形幕?，其下部橋墩采用中華傳統(tǒng)的圓柱，體現(xiàn)了鄭州作為多朝古都的“博大，和諧”精神;蓋梁采用了飄逸的懸臂造型，使得上下部呼應，用展翅欲飛的體型，寓意航空港區(qū)的特質，體現(xiàn)了鄭州引領中部崛起的“開放、創(chuàng)新”的精神。

（二）橋面系研究

城市軌道交通高架U型梁橋，在國內橋面系中，是一種全新的型式。U梁橋面系布置不僅影響橋梁寬度、橋梁的整體景觀、相關專業(yè)管線和設備的布置，還影響橋梁的耐久性和養(yǎng)護維修工作。合理的橋面布置是保證軌道交通系統(tǒng)安全高效運營、控制土建投資的重要環(huán)節(jié)。

整合優(yōu)化橋面布置，是保證軌道交通系統(tǒng)安全高效運營、控制土建投資、保證橋梁景觀的重要環(huán)節(jié)。通過采用中間接觸網(wǎng)橋面布置方案，充分考慮利用U型梁的內部空間，將橋上通信、信號、電力電纜等設備管線放置于U梁腹板內側，不再單獨設置護欄板。同時，利用U型梁上翼緣做檢修及旅客緊急疏散通道，將接觸網(wǎng)設置于中間位置，可提升高架線的整體景觀，景觀效果好且橋寬最窄，見圖2所示。

六、預制U梁施工工法研究

施工方法的選用應因地制宜，視高架橋梁總長，橋梁結構的跨度、孔數(shù)、截面形式和尺寸，地形、氣候、運輸條件，設備能力、設備的周轉使用，車站、結點橋的位置與數(shù)量等綜合條件來選擇。目前國內外軌道交通標準梁施工方法主要有整孔預制汽車吊吊裝、整孔預制架橋機運架梁、節(jié)段拼裝、現(xiàn)場澆筑等工法。

結合全線線路情況、規(guī)劃道路現(xiàn)狀，從減小交通干擾、保護周邊生態(tài)環(huán)境、降低施工難度和工程造價的角度出發(fā)，統(tǒng)籌考慮工程投資、工程進度的需要，針對本工程線路長、站間距大、市政道路交叉多的特點，推薦全線U梁采用整孔預制U梁，架橋機架設方案。

七、結構受力特點分析

預制U梁作為下承式開口薄壁構件，由兩邊的腹板、中間的底板及端橫梁組成，其傳力體系為：荷載→橋面板→主梁→橫梁→支座[7]。

（一）腹板承受下拉力和剪力

豎向偏載還會引起主梁扭轉，產(chǎn)生彎剪扭效應[8]。

（二）底板在豎向荷載作用下

應力分布不太均勻，空間作用特性明顯，底板的應力表現(xiàn)出明顯的剪力滯現(xiàn)象，應進行空間實體和平面梁單元模型對比分析[9]。

（三）跨中上翼緣受壓區(qū)混凝土面積比較小

預應力效應利用率偏低，因此在滿足限界的情況下，應盡量加大或加厚上翼緣尺寸，避免受壓區(qū)高度不足，減小上緣壓應力，提高預應力效率，也有助于增大結構抗扭剛度、腹板的穩(wěn)定性以及減小縱梁的側傾位移[10]。

總之，預制U梁的抗扭剛度和腹板穩(wěn)定性不如箱梁好，具有復雜的空間受力特點，彎剪扭效應明顯[9]。

八、結語

通過研究預制U梁在國內外應用情況分析、在鄭州軌道交通高架橋中的環(huán)境適應性分析、設計施工要點分析、結構受力特點分析等研究表明，預制U梁結構既能滿足功能的需求，又可成為環(huán)境友好型工程，具有較大的推廣價值，在軌道交通建設中具有廣闊的應用前景。

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通訊作者：朱君卿，1983年3月，男，漢族，山西陽泉人，就職于北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，高級工程師，研究生。研究方向：橋梁設計。