城市轨道交通低置桥梁结构方案研究

朱鸿欣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

1 引言

城市轨道交通包含高架、地面和地下3种线路敷设形式。为节约造价及方便施工，地面线一般采用填土路基，控制地面线的竖向变形以及减少地面荷载对周边环境影响一直是困扰设计人员的难题。而低置桥梁则可以将轨道交通运营期间的恒载、活载通过桥墩深基础传递到远比浅层土承载力高、压缩模量大的土层，不但减少自身沉降，还可以降低对周边敏感对象的附加变形影响。低置桥梁结构具备桥梁的基本要素：直接承受设备、车辆等竖向荷载的上部结构——承重梁；由桥墩及基础组成的下部结构，将竖向荷载传递至深层地基土。为适应低矮的线路标高，低置桥梁的桥墩高度很低甚至为零。与常规高度轨道交通桥梁相同，低置桥梁也包括简支梁桥、连续梁桥、连续刚构桥等结构形式，但是由于桥墩高度大幅降低，使得各种结构形式呈现出与常规高度桥梁不同的特点。例如，与常规高度的简支梁、连续梁桥相比，同跨径的低置简支梁、连续梁桥的下部结构体量可以小得多；与常规高度的连续刚构桥相比，同跨径的低置连续刚构桥的各组成构件的内力分布更加复杂。

因此，在进行低置桥梁设计时，要综合分析使用环境、地质条件、气候特点、线路平纵设计等因素，并研究各种桥梁形式的力学性能、构造特点、使用要求，才能比选出经济合理的结构形式并完成设计。下面将结合上海市某轨道交通工程中的低置桥梁实例进行分析研究。

2 工程概况

上海市某轨道交通线路终点站位于既有建筑物一层，在距站端1 km处，设计轨面标高降至比地面高1.6 m，并以地面线形式延伸至终点站。该段线路的上行线外侧与上海磁浮示范线并行，两条线路的中心线距离约9.5 m。磁浮示范线轨面标高距地面高差约2.1 m，跨径24.768 m简支轨道梁支承于桩基承台顶面。该段线路下行线外侧紧贴人工湖的“L”型截面钢筋混凝土挡墙。如图1所示。

工程场地周边存在诸多影响地面线布置的因素：地面线与磁浮线之间布置有重要的磁浮维修道路，不允许其他构筑物侵入路面；为保证磁浮车辆安全行驶，磁浮线桥墩允许变形限值极小，须严格控制外界竖向荷载对其产生的附加变形；地面线轨顶距地面最小高差仅0.2 m，且线路纵断面无上抬调整余地；地面线紧贴人工湖挡墙，挡墙后土压力的巨变将直接影响其稳定和安全；工程场地经“围海造地”形成，地面以下存在深厚软弱土层，硬土层埋藏较深。

可见，本段地面线如果采用填土路基，其横向必侵入维修道路路面；由于邻近磁浮线，地基处理措施选择项有限且费用不菲，即使进行了地基处理，由地面竖向荷载造成的磁浮线桥墩变形仍超过限值标准。因此，适宜采用低置桥梁结构替代填土路基。

3 低置桥梁结构方案研究

当桥墩高度大幅降低后，不同结构形式的低置桥梁都会呈现出与常规高度桥梁不一样的特点。

3.1 低置简支梁桥

由于软土地区桥墩差异沉降难以控制，因此普遍采用简支梁桥作为轨道交通高架段标准桥型。桥墩高度大幅降低后，桥梁的基础设计以及合理跨径均发生变化。

城市轨道交通工程多采用无缝线路，桥梁结构与无缝钢轨之间存在着变形差异，为减少该差异在钢轨中产生的附加应力，要求桥梁结构在纵向具备足够的刚度。在纵向力作用下，桥墩墩顶的纵向变形是基础自身纵向变形Δ1、基础倾斜导致的墩顶纵向变形Δ2以及桥墩受弯纵向变形Δ3的总和，其中Δ2、Δ3的大小与桥墩高度正相关。

桥墩采用摩擦桩群桩基础时，增加桩数、拉开桩纵向间距可以减小Δ2；增加桥墩截面尺寸可以减小Δ3。因此，当桥墩高度较大时，下部结构的工程量在全桥工程量中占比较大。本工程高架段的标准上部结构采用单箱单室箱梁，桥墩平均高度为10～12 m，基础采用摩擦桩，下部结构工程量占比约40%，经济跨径为30 m。而低置简支梁桥，在梁型不变的情况下，由于桥墩高度大幅下降，下部结构工程量占比相应剧减，经济跨径减小到25 m。

低置桥梁必须考虑梁下预留不小于0.8 m高的净空以检修支座。当地面线线路标高较低时，建议采用槽型梁。例如，本工程采用的跨径25 m简支箱梁，轨顶到梁底高差2 m；跨径30 m简支箱梁，轨顶到梁底高差2.35 m；而跨径25～30 m槽型梁，轨顶到梁底高差均为0.85 m。因此，当轨顶标高相同时，槽型梁下净空比箱梁高1.15～1.5 m；当梁下净空相同，槽型梁适用的轨顶标高比箱梁低1.15～1.5 m。

对于必须采用箱梁的情况，建议采用双线单箱大箱梁，在梁一端仅设置2个支座，并且将支座尽量靠横桥向外侧布置，以方便支座的检修维护。

3.2 低置连续梁桥

在低置桥梁结构中，主要在车站前后道岔区域采用连续梁桥，以避免道岔设备跨结构缝设置。与简支梁桥一样，低置连续梁桥也需考虑梁下支座检修的便利性，因此，建议减小跨径控制梁高，减少梁端支座数量以及将支座靠近梁结构横桥向外侧布置。

3.3 低置连续刚构桥

低置连续刚构桥的最大优点就是取消了支座，从而大幅提高了其对地面线的适应性。连续刚构桥与简支梁桥、连续梁桥相比，桥墩上、下部结构之间的相互关系更加复杂、紧密，尤其下部结构的纵向抗弯刚度和上部结构的竖向抗弯刚度决定了全桥的内力分布。

由于桥墩高度极低，其自身纵向变形可忽略不计，因此基础抵抗纵向变形的刚度即下部结构的纵向抗弯刚度值相当大。为使全桥的上、下部结构刚度的比值合理，宜在桥墩高度降低的同时减小承重梁跨径，这样可以使结构中的内力分布相对均匀，不致出现数值极大的控制内力，同时降低造价。本工程对2跨一联、3跨一联的跨径10～20 m的低置连续刚构桥分别进行了计算，发现一联（3×12 m）采用摩擦桩基础的钢筋混凝土连续刚构桥结构内力分布较合理，且造价更经济。

相较于低置简支梁桥、连续梁桥，连续刚构桥的基础设计难度大，影响因素多，主要体现在如下3方面。

（1）基础承受纵向弯矩大幅增加。低置简支梁桥、连续梁桥桥墩基础所受纵向弯矩主要由纵向力产生，而低置连续刚构桥承受的大部分纵向弯矩却来自于竖向荷载作用，以及结构整体升降温、支点不均匀沉降等效应。例如，对一联（2×12 m）低置连续梁桥和一联（2×12 m）低置连续刚构桥进行比较，两者均采用单箱单室箱梁，下部结构均为纵向单排布置4根φ0.8 m钻孔桩基础，其承台顶纵向弯矩对比如表1所示。由表1可见，由于连续梁桥的承重梁与基础间没有转动约束，因此在荷载作用下，基顶无纵向弯矩。而连续刚构桥的基础对承重梁在荷载作用下的变形约束强劲，导致其自身承受很大的纵向弯矩。其中边墩基顶的纵向弯矩达到1 862 kN·m，平均到单桩需要承受466 kN·m的弯矩，而这还未计入无缝线路力以及制动力等水平力荷载。

表1 承台顶纵向弯矩 kN · m

（2）基础纵向抗弯刚度的合理取值。如前所述，为保证无缝钢轨的安全，低置简支梁桥或连续梁桥的基础纵向刚度值主要取决于墩顶纵向变形限值要求。而除此之外，低置连续刚构桥更需要考虑基础纵向抗弯刚度的大小对上、下部结构中弯矩分布的影响。例如一联（2×12 m）低置连续刚构桥，其基础分别采用纵向2排布置每排2根φ0.8 m钻孔桩、纵向单排布置4根φ0.8 m钻孔桩2种桩基础布置形式，2种桩基础布置形式下的桩径、桩长、桩数均一致，但基础纵向抗弯刚度相差很大：通过计算可知，2（纵向）×2 （横向）φ0.8 m钻孔桩基础的纵向抗弯刚度为2.87×106kN·m/rad， 1（纵向）×4（横向）φ0.8 m钻孔桩基础的纵向抗弯刚度为1.24×106kN·m/rad，前者是后者的2 倍多。2种桩基础布置形式下的桥梁承重梁弯矩和承台顶面弯矩计算结果如表 2、表3所示。由表2、表3可见，当刚构桥基础纵向抗弯刚度更大时，其承重梁的跨中正弯矩更小，而梁端负弯矩更大，同时桥梁边墩的承台顶纵向弯矩更大。因此，梁支点处截面的负弯矩大小、承台顶的纵向弯矩大小均与基础的纵向刚度呈正相关，为减小弯矩，在满足基础强度、变形要求的前提下，基础纵向刚度宜小不宜大。适用于低置连续刚构桥的桩基础宜采用纵向单排桩布置，承台顶面弯矩可以平均分配给各单桩承担，通过适当增加桩径提高单桩抗弯承载能力。

表2 承重梁特征截面弯矩 kN · m

表3 承台顶面纵向弯矩 kN · m

（3）上部结构预应力对于基础受力影响明显。低置连续刚构桥应避免采用预应力混凝土承重梁，原因在于其下部结构刚度极大。刚劲的下部结构相当于对承重梁强劲的约束，因此当对承重梁施加预应力时，必须克服约束的作用并对约束产生相当大的反力，约束越强则反力越大，这就导致低置连续刚构桥的梁内预应力张拉后，作用于桥墩基顶的纵向弯矩极大，并直接造成群桩中各根桩竖向荷载的差异，角桩甚至可能成为受拉桩，这对基础的安全极为不利。当然决定承重梁梁型的因素很多，当碰到敏感的地下构筑物或管线，必须采用较大跨径的低置连续刚构桥进行跨越，而承重梁需要采用预应力混凝土结构时，可以在预应力张拉前后对承重梁的约束形式进行调整，例如，预应力张拉前及张拉时，梁下临时设置板式橡胶支座，保证梁端的转动变形不受约束，待张拉完毕后再将梁与下部结构进行固结，这样就可有效地避免预应力给基顶带来的巨大弯矩。

4 工程实施方案

本工程地面线最终采用了跨径24 m的低置预应力混凝土简支梁桥方案，桩基础形式为2（横向）×4（纵向）φ0.8 m钻孔灌注桩，如图2所示。

采取该方案主要原因在于周边环境的限制。由于磁浮示范线桥梁跨径为24.768 m，为尽量减少低置桥梁基础施工对磁浮桥墩桩基影响，其跨径采用24 m，与磁浮线桥墩桩基交错布置，保持最大的平面距离；由于低置桥梁跨径达到24 m，采用预应力混凝土梁是合理选择，但如果采用连续刚构桥，则会给下部结构的设计以及全桥的施工带来很大难度，因此考虑采用24 m简支梁桥方案；梁截面比选了槽型和箱型截面，由于槽型梁的横向宽度大，与景观水池挡墙和磁浮维修道路位置冲突，因此采用箱梁。

为减小结构横向宽度及预留梁下支座检修空间，低置桥梁取消了桥面两侧挡墙，并将原先布置于桥面以上的部分电缆移至桥面以下，减小了桥面宽度，同时在桥面以下修筑一条顺线路方向延伸的坑道以留出线缆的敷设及检修空间，从而一并解决了桥梁支座的使用、养护空间问题。

5 结论及建议

（1）场地地质条件差，深厚软土层广泛分布，或地下及周边存在敏感构筑物、管线和设施，并且易受地面竖向荷载产生的不利影响，采用低置桥梁结构可以在满足轨道交通运营要求的同时减少对周边环境的不利影响。

（2）低置桥梁结构采用简支梁桥受力明确、传力路径清晰、结构安全、经济可靠，建议首选。但需特别注意跨径、梁高的选取，以预留支座检修空间。当横向空间充足、跨径适中时，采用简支槽型梁更加合理。

（3）当地面线轨顶至地面高差较小时，宜采用低置连续刚构桥。其下部结构的纵向刚度不宜过大，并应与梁的竖向刚度相匹配。建议布置纵向单排大直径桩基础，可以在满足桥梁纵向变形要求的同时，使基础承受的纵向弯矩合理适中。

（4）低置连续刚构桥跨径应适中不宜过大，上部结构建议采用钢筋混凝土梁，避免预应力混凝土梁在预应力张拉后对下部结构产生较大反力。若必须采用较大跨径的低置预应力混凝土梁桥，则建议合理制定预应力张拉施工及上部结构支承形式转化方案，将作用于下部结构的纵向弯矩控制在合理范围内。