城市轨道交通高架区间U型梁设计探究

2022-03-24 01:32王一莹
四川建材 2022年3期
关键词:单线跨径高架

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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