广州地铁4号线整孔简支箱梁设计

赵廷俭

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055； 2.北京交通大学土建学院,北京 100044)

1 概述

广州地铁4号线车陂南到黄阁段为4号线的二期工程,高架区间全长22.2 km,除个别跨越河流、道路等特殊地段采用连续刚构、连续梁等结构外,其余均为简支箱梁。综合考虑现场的自然环境、人工构筑物、运输条件及施工环境等因素,主要采用了整孔预制架设和节段拼装2种施工方案。其中,整孔预制的简支箱梁架设里程为12.1 km,共357孔,开创了国内轨道交通领域大规模采用整孔预制、吊装、架设箱形梁的先河。

2 整孔简支箱梁的结构设计

2.1 设计参数

2.1.1 线路情况

广州地铁4号线的线路设计为双线,直线地段线间距为4.0 m,曲线地段根据半径和曲线超高不同选用不同线间距,最大值为4.25 m。线路最小曲线半径600 m,设计最大行车速度为90 km/h。

2.1.2 设计荷载

结构自重按照《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—1999)采用,二期恒载包含保护层、防水层、板式道床、钢轨结构、挡板、电缆及其支架、三轨支撑设备、紧急疏散平台、横坡垫层等重量,本设计中按双线76 kN/m计算。

活载采用4号线列车活载,具体图式见图1。设计时考虑了列车活载的动力作用。此外,计算中按规范要求计入了列车运行产生的离心力。

图1 列车活载图式(单位：m)

对于风力、列车横向摇摆力以及列车脱轨荷载和施工临时荷载均按规范进行了设计和检算。

2.1.3 桥面布置

广州地铁4号线列车采用直线电机系统,其供电方式为第三轨供电,取消了传统的接触网；桥面宽度不随线间距的变化而改变,统一为9.3 m；桥面最外侧设置预制的混凝土栏杆,局部地段在其上加装声屏障,栏杆内侧设置强电电缆支架；为满足轨道交通紧急情况下的人员疏散要求,在桥面中心位置预留底座,安装疏散平台,并在疏散平台立柱上设置弱电电缆支架；全部采用预制混凝土轨道板,轨道超高以及空间位置调节通过轨道板尺寸和扣件调整来实现。桥面布置见图2。

图2 桥面布置示意(单位：mm)

2.2 跨度设计

广州地铁4号线的整孔简支箱梁主型跨度为30 m,辅助跨度为25 m,个别地段根据配跨需要设计了28.4、27.5、25.4、20 m等非标准跨度梁共13孔。为便于工厂预制,提高模板的使用效率,降低制梁成本,各种跨度的整孔梁只将截面无变化的跨中段长度进行相应调整,且预制梁体的端模设计为可移动式模板,大大降低了非标准跨度梁体的预制成本。

以30 m跨度梁为例,梁体实长29.9 m,支座中心距为28.8 m,支点距离梁端0.55 m,满足受力和构造的要求。

2.3 截面形式

梁体采用了单箱单室结构,梁面宽9.3 m,梁底宽4.0 m,梁高1.7 m；腹板为斜腹板,倾斜度为1∶4,既满足受力需求,又使梁体外形简洁、清秀、美观,且脱模方便；支座的横向中心距为2.8 m；梁体纵向采取顶板、底板、腹板渐变的形式,满足受力要求；在梁端顶底板和腹板加厚较多,一是满足预应力束锚固要求,二是改善支点受力状况,三是起到端隔板的作用,提高梁体的动力特性。图3为梁体纵剖面和横截面示意。

图3 30 m整孔箱梁示意(单位：mm)

2.4 设计指标

本设计依据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—1999)和《地铁设计规范》(GB50157—2003),按照全预应力结构对梁体在张拉、存梁、吊装、运输、架设以及运营阶段的受力状况进行了详细计算,据其结果配置预应力束。根据对斜截面强度、梁体抗扭以及箱梁截面的环框受力分析和计算结果,结合构造要求,合理配置了梁体普通钢筋。30 m整孔箱梁的主要设计指标见表1。

表1 30 m整孔预制简支箱梁的主要设计指标

2.5 梁体线形控制

30 m整孔箱梁在梁体自重和预应力荷载作用下,跨中上拱值为26.7 mm；在静活载作用下跨中下挠9.4 mm；3年后收缩徐变全部完成时梁体的上拱度为40.7 mm。因此,梁体预制时需要设置反拱,反拱设置按照3年时梁体的上拱度减去0.5倍静活载作用下的挠度计算,其值为36 mm。

广州地铁4号线采用无砟轨道系统,轨道铺设完成后,轨道调高只能通过扣件来实现,调高值十分有限；加之4号线采用直线电机系统,电机感应板安装于轨道板上,在施工完成后对于竖向的位移十分敏感,若梁体上拱过大,则产生不平顺和凸起,严重影响线路运营。因此,4号线对于梁体的后期徐变拱度提出了十分严苛的要求,需控制在10 mm以内,经过严密计算和合理设置预应力钢束,本线简支整孔箱梁的后期徐变拱度均满足要求,其中,30 m梁的后期徐变拱度理论计算值为5.97 mm。经过监测单位的长期观测,所获后期徐变拱度的数据均小于理论计算值。

3 构造设计

3.1 疏散平台基础台座

与铁路桥梁不同,绝大多数轨道交通的桥梁上均需设置紧急疏散平台(亦称逃生平台),不同城市、不同线路由于标准和线路线间距、列车情况的不同,紧急疏散平台也会采取不同的设置方式。广州地铁4号线的疏散平台设置方式为：在桥梁中心线预留基础台座,待轨道铺设完毕后,在台座上安装钢结构的立柱,之后在立柱上方铺设预制混凝土板。

基础台座为400 mm×400 mm的矩形钢筋混凝土,高度为250 mm,位于桥面中心线上,间距为1 250 mm。混凝土台座设计时考虑疏散平台自重及其上活载的作用,并结合立柱的锚固形式配置适量的普通钢筋。混凝土台座在梁体预制时一并浇筑。

3.2 排水孔

广州地铁4号线桥面排水层设置为“V”字形横坡,桥面雨水汇集后沿桥面中心线区域流向靠近梁端设置的排水孔,通过埋设其内的排水管排出。梁体预制时在距离梁端945 mm和1 475 mm的位置沿桥面中心线纵向在顶板上预留2个φ270 mm的排水管孔。梁体梁端均预留此孔,当梁体位于坡道上只需一端排水时,则将另一端的预留孔用微膨胀混凝土封堵,并做防水处理。因排水管孔径较大,对顶板钢筋有所影响,在设计中对孔洞周围钢筋按照受力计算要求和构造进行适当补强。

此外,为防止因特殊原因在梁体箱内积水,在底板上亦设置了2个φ80 mm的泄水孔。

3.3 梁端进人孔

考虑到梁体后期养护维修以及排水管道安装检修的需要,本设计中在梁端设置了进人孔。进人孔在梁端底板预留1 550 mm×250 mm的开槽,相邻两孔梁架设完成后,在桥墩顶部两个开槽相对形成了一个较大的进人孔(图4)。进人孔设置在此位置不影响预应力钢束的布置,对梁体受力影响甚微。进人孔隐藏在桥墩顶部,不影响桥梁的外观线条连续性,较为美观,同时也有利于检修人员利用墩顶工作和进出梁体箱内。

图4 梁端进人孔示意图

4 线形布置

轨道交通的线路较之铁路线路,具有曲线多、半径小、坡度变化多的特点,广州地铁4号线使用整孔梁的地段最小曲线半径为600 m。整孔梁在预制时无法做成曲梁,因此桥梁在曲线上的布置成为设计中的难点。4号线桥梁的线形布置以平分中矢法为原则,结合线路特点进行计算。在桥梁布置计算中考虑了以下因素：

(1)轨道交通线路以右线里程为准,所有计算均以右线的连续里程为基础；

(2)轨道交通的桥梁位置的确定与铁路桥梁按照桥墩中心里程和桥梁偏角的方式不同,要求对所有有关位置的数据提供大地坐标；

(3)限界在不同地段的数值不同,随曲线半径的调整有所变化,在直线地段向曲线地段过渡时采用线性渐变的方式；

(4)铺设轨道板和无缝线路要求的精度高,且对梁缝宽度有明确限制。

综合以上因素,按照平分中矢法的基本原则,在设计中推导出了曲线地段梁跨布置的计算公式,并编制了计算程序和表格,为箱梁预制、架设以及支座安装提供了大量详细而精准的数据。

对于曲线地段梁缝的处理,保持内侧梁缝宽度100 mm不变,通过加长外侧梁体长度来实现。预制梁体的端模设计为可旋转模板,通过旋转端模使梁体外侧加长,呈一楔形,以解决外侧梁缝过宽的问题。为便于制造,对外侧梁体加长值进行归类,共设置4种加长值,全部满足了轨道专业提出的外侧梁缝不能超过170 mm的要求。全线共按此方式处理了145孔整孔箱梁。

梁端处理时根据该孔梁在线路中所处的位置,分左侧和右侧两种加长方式,每孔梁在线路上的位置唯一确定,制造、架设时均编号对应。

5 架设工艺及检算

广州地铁4号线的整孔箱梁通过利用桥梁本身做为运输通道,通过运架设备在已架梁体和桥墩上走行和落梁安装。该技术已经在国内铁路客运专线上大规模应用,比较成熟、可靠。

针对此种架桥工艺,桥梁设计时有两个需要重点考虑和检算的环节,一是桥梁的起吊,二是运架设备(一般是由架桥机和运梁车组成,也有运架一体机)在走行和落梁安装过程中对已架桥梁以及桥墩的荷载作用。

图5 吊点布置示意(单位：mm)

广州地铁4号线30 m整孔梁的起吊重量为4 100 kN,吊点设置在梁端顶板厚度无变化段,每孔梁设置8个吊点,具体位置见图5。每个吊点的吊具支承面积需大于400 mm×400 mm,在吊梁过程中保持8个吊点均衡受力,且支承处与梁体密贴。吊点周围的钢筋根据受力需要进行加强,计算得出的混凝土应力和裂缝宽度均在规范的限值之内。

广州地铁4号线整孔梁的运架分为2个标段,使用的设备各不相同,设计中需要按照运架设备在运输、提梁、移位、落梁各个过程中的不同工况,对梁体的强度安全系数、抗裂安全系数、混凝土应力和钢筋应力以及局部承压能力等进行检算,根据计算结果对运架设备提出改进意见。4号线所采用的运架设备在改进后顺利完成了预定架设目标,通过对梁体在运架过程中的受力情况监测,较好地验证了理论计算的结果。

6 结语

广州地铁4号线大规模采用整孔预制箱梁,由于其在梁场预制,质量得以保证,且有利于标准化和规模化生产,有效地提高了制梁效率。利用已架设桥梁作为架梁通道进行整孔架设,不受线路沿线运输条件限制,施工速度快(平均每天可架2孔),现场工作量小,并且对沿线道路交通、地面建筑物影响小,节省工程费用。同时,制梁工作和桥梁下部基础施工可同时开展,有利于缩短工期。

整孔预制箱梁在广州地铁4号线的成功应用,为该项技术在工期要求紧、跨越道路多、对环境要求严苛的轨道交通领域推广使用积累了经验。

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