城市轨道交通高架区间U型梁设计探究

王一莹

(雄安城市规划设计研究院有限公司,河北 容城 071700)

0 前 言

近些年，我国各大主要城市纷纷修建轨道交通，截止2020年年底，中国内地共有40座城市拥有城市轨道交通运营线路，总长7 978.2 km，运营线路247条。同时，随着轨道交通线网的不断加密，线路从主城区延伸到郊区，高架线的占比也在逐渐增大[1]。通过调研国内已运营和在建的城市轨道交通高架线可知，早些年，国内轨道交通高架桥中较多地采用了简支箱型梁，包括大箱梁和小箱梁等，但近些年上海、南京、青岛等城市的部分轨道交通高架桥也采用了简支U型梁，施工方法以预制架设或吊装为主。

有关研究表明[1-2]，相比于箱型梁，U型梁在实用、经济、美观、环保等方面存在较明显的优势，具有较大的应用推广价值。因此，有必要对U型梁进行更深入的研究。本文将U型梁与其他梁型进行对比分析，同时从力学性能、跨径选择等方面出发，较详细地讨论了U型梁的特点，以期为国内城市轨道交通高架区间U型梁设计研究提供一定的参考。

1 U型梁与其他梁型的比较

1.1 轨道交通常用梁型

城市轨道交通高架桥有两大特点：①轨道交通高架桥属于城市桥梁，因而必须考虑其景观效果；②轨道交通高架桥具有轮轨系统的特点，包括桥上布置道岔及结构振动等，具有铁路性质，因而结构自身要有适应性。国内轨道交通高架桥中，T梁截面、小箱梁的使用相对较少，大箱梁截面的应用较多。近些年，U梁作为一种新的结构形式，在上海、南京、青岛等城市的轨道交通中得到一些应用，在设计施工中的经验不断成熟，呈现出一种不断推广的趋势。

1.2 梁型比选

本文对城市轨道交通高架桥中常用的大箱梁、小箱梁、U梁进行对比。

1)梁型整体特性比较。从结构特性、景观、功能、环保、施工难度等方面对比大箱梁、小箱梁、U梁的特点，如表1所示。

表1 梁型比较表

2)经济性比较。以一跨30 m梁为例，分别计算梁宽10 m的大箱梁和两片梁宽为5.42 m的单线小U型梁的工程数量和造价，列于表2中。

从表2可看出，相比一跨30 m的大箱梁，两片单线U型梁的混凝土用量减少了约25 m3，普通钢筋用量基本相当，预应力筋用量增加了1.7 t，结构总造价减少了6.9万元。

表2 两种梁型结构工程量和造价对比表

同时由表1的对比可知，U型梁的腹板可兼做栏板和疏散平台，因此，桥面系造价可大幅度减小。

杨秀仁等[2]学者研究表明：在土建工程费用上，高架区间U型梁比传统大箱型梁造价减少约 494万元/正线公里，土建总造价节省9.9%。

通过综合对比，对于城市轨道交通高架桥梁，U型梁具有减振降噪、节能环保、造型美观、桥面系功能好、车辆运行安全、施工便捷、工期短、显著的经济性等诸多优势，具有较大的推广应用价值。

2 U型梁特性分析

2.1 两种U型梁对比分析

对于轨道交通U型梁，主要分为单线小U梁和双线大U梁。现将两种U型梁进行性能对比分析，如表3所示。

表3 两种U型梁对比分析表

综合对比表明，单线小U梁在结构经济性、线路适应性、降噪性能等多方面存在优势。国内已建成的采用U型梁的高架线均采用单线小U梁。

2.2 单线U型梁受力计算

以国内某城际轨道交通高架区间采用单线U型梁为例，梁顶部宽5.42 m，高1.8 m，跨径选取30 m，对其进行计算分析。

采用桥梁博士建立单线U梁模型，混凝土容重为26 kN/m3，钢结构自重为78.5 kN /m3，二期恒载取35 kN /m，列车轴重140 kN，动力系数取1.4，人群荷载3 kN /m2。计算模型见图1。

图1 计算模型

在运营阶段下：①主力组合：主应力为11.8 MPa<18.5 MPa，最小应力2.6 MPa>0，满足规范要求；②主+附组合：最大应力11.8 MPa<20.35 MPa，最小应力0.87 MPa>0，满足规范要求。

正截面强度验算：①主力组合：最大抗力强度安全系数2.5>2.2，满足规范要求；②主+附组合：最小抗力强度安全系数为2.3>2.0，满足规范要求。

斜截面抗裂验算：①主力组合：主拉应力0.3 MPa<3.3 MPa，主压应力14.8 MPa<22.2 MPa，满足规范要求；②主+附组合：主拉应力1.9 MPa<3.3 MPa，主压应力19.0 MPa<22.2 MPa，满足规范要求。

3 标准梁跨径选择

国内已建成的轨道交通高架线，基本沿道路路侧或路中敷设，受行人关注度高。因此，标准梁跨径的选取，除了考虑经济性以外，还应注重景观效果。

高架区间平均桥墩高度一般在10 m左右。实际工程表明：当城市桥梁的墩高与跨度比例在1∶2.4～1∶4时，桥梁景观较好，符合人们的视觉审美习惯。对于常用的25、30 m跨度来说，桥高以8、10 m为佳。因此，桥梁跨径在30 m左右是合理美学范围。

轨道交通标准梁常用跨度为25、30 m。这里按照标准梁采用简支单线U型梁，桥墩采用独柱墩，基础采用钻孔灌注桩，分别计算25 m、30 m跨径梁在750 m桥梁长度范围内主要工程数量，如表4所示。

表4 25 m和30 m梁桥主要工程数量表

依据上表750 m桥梁长度范围内的工程数量，计算对应的工程造价，并折算成每延米的造价，列于表5中。

表5 10 m墩高工程造价表

从表5可看出，相同墩高下，30 m跨度的U型梁桥经济性更好，每延米造价与25 m相比可节约0.27万元。

通过综合比较，标准简支梁的跨径采用30 m为宜。

4 结 论

1)与城市轨道交通常用的箱型梁相比，U型梁具有减振降噪、节能环保、造型美观、桥面系功能好、车辆运行安全、施工便捷、工期短、显著的经济性等诸多优势，具有较大的推广应用价值。

2)单线小U型梁比双线大U型梁适应线路变化能力强、力学特性好、减震降噪性能好。计算表明单线U型梁能满足设计要求。

3)从景观和经济性等方面综合考虑，简支U型梁的标准跨径采用30 m为宜。

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