市域铁路桥梁选型研究

张海，颜志华，蒋成强

（中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津 300300）

0 引言

市域铁路是伴随我国城镇化和区域一体化发展产生的新型交通系统，相较于近10年来我国高速铁路和城际铁路的蓬勃发展，市域铁路在我国起步较晚，尚属探索阶段。世界发达国家都市圈均覆盖范围广泛的市域铁路，在大都市区公共交通中发挥骨干作用［1-2］。目前我国市域铁路设计规范、标准种类较多，包括国家标准、行业标准、地方标准等，主要有国家铁路局行业规范、中国铁道学会设计规范、中国土木工程学会设计规范、中国城市轨道交通协会标准、中华人民共和国住房和城乡建设部地铁快线设计标准及地方标准等。市域铁路设计速度100～160 km/h，设计荷载有ZS、SS、城际快线活载，运行市域A、B、D、CRH等市域车辆［3］。

总体来说，我国市域铁路存在标准多样、桥梁结构体系及结构选型与地域特点结合不密切等问题，区间高架桥还需进一步对结构体系及桥墩、桥梁选型做进一步研究，以适应市域铁路安全、适用、经济、美观、环保设计的需求。

1 市域铁路桥梁结构体系

1.1 结构体系种类

轨道交通桥梁结构可供选择的体系主要有：简支梁体系、连续梁体系、连续梁刚构体系。简支梁体系作为一种在桥梁建设中被广泛应用的结构体系，在北京地铁机场线、上海轨道交通3号线等众多项目中得到应用；连续梁体系经济性指标较好，但对收缩、徐变、沉降的反应较简支梁体系敏感，在北京地铁5号线等项目中得到应用；连续梁刚构体系作为一种超静定结构，整体刚度优势明显，但对收缩、徐变、沉降的反应更敏感，目前我国应用项目较少，仅广州地铁14号线等项目采用了该种结构体系。我国部分城市轨道交通桥梁结构体系见表1。

表1 我国部分城市轨道交通桥梁结构体系

1.2 结构体系特点

市域铁路桥梁各结构体系抗震性能、结构特性、桥梁景观、施工质量、施工方法、施工工艺、环境影响［4］等特点见表2。

表2 市域铁路桥梁各结构体系特点

1.3 结构体系选择

通过综合比较，小跨度连续梁、连续梁刚构体系与简支梁体系相比在力学性能上优势不突出，且施工质量及施工进度控制较难，对基础沉降敏感，特别是深厚软土、地层复杂区间，基础不均匀沉降控制难度大，此时推荐采用简支梁体系作为区间标准结构体系；对景观效果要求高、地质条件好的区间，可考虑采用连续梁或连续梁刚构体系。

2 市域铁路桥梁梁型

2.1 梁型选择

市域铁路桥梁梁型有预应力混凝土箱型梁、预应力混凝土组合梁、钢混结合梁、空心板梁、双肋板梁、槽型梁等（见图1—图5），各种梁型有其独有的特点［5-6］。

图1 预应力混凝土箱型梁

图5 双肋板梁

图2 槽型梁

图3 预应力混凝土组合梁

图4 钢混结合梁

上述众多梁型中钢混结合梁造价较高，噪声较大，养修维护复杂；板梁由于自身受力特性的限制，不宜在市域铁路应用；单箱多室弧形箱型梁设计和施工复杂，故目前市域铁路大多采用单箱单室简支箱型梁、双箱单室简支箱型梁和U型梁。从结构特性、功能性、减震降噪性能、施工难度等方面对3种常用简支梁梁型进行综合比较（见表3）。

表3 3种常用简支梁梁型综合比较项目

通过综合比选可知，单箱单室简支箱型梁具有整体刚度好、结构动力性能优、造型简洁、景观效果好、施工方便等优点，建议市域铁路优先采用单箱单室简支箱型梁结构。

2.2 单箱单室简支箱型梁

单箱单室简支箱型梁作为市域铁路桥梁推荐的梁型，其桥面宽度、梁高、构造、跨度等梁部结构形式与桥跨结构的耐久性和养护维修工作有密切关系，直接影响工程总造价，在满足桥梁受力性能、施工安全、运营及养护维修等要求下，应采用经济、美观、适用的梁部结构形式。以时速160 km市域铁路桥梁双线单箱单室简支箱型梁为例进行分析。

2.2.1 桥面宽度

桥面宽度通常需考虑线路线间距、建筑限界、桥梁顶面的排水系统、风压带宽度、最小曲线半径、人行道宽度及结构形式、挡砟墙（或防护墙）结构尺寸、电缆槽宽度、接触网支柱基础结构尺寸、声屏障基础结构尺寸、检查养修方式等因素［7］。综合以上因素及市域铁路桥梁功能需求，建议双线无砟轨道单箱单室简支箱型梁桥面宽度为10.6～11.0 m；双线有砟轨道单箱单室简支箱型梁桥面宽度为11.4～11.8 m。

2.2.2 腹板间距

双线单箱单室简支箱型梁截面形式、梁体的横向刚度一般不影响桥梁设计方案，箱体宽度主要由箱体本身的受力情况决定。腹板间距设置的合理性直接影响梁部顶板腹板受力、钢筋用量和板厚度。对4.1、4.6、5.1、5.6、6.1、6.6、7.1 m七种腹板间距对比，求解在恒载、恒载+活载荷载组合作用下，腹板间距对结构内力的影响。单箱单室简支箱型梁内力比较位置示意见图6，各位置不同腹板间距最大弯矩值见图7。

图6 单箱单室简支箱型梁内力比较位置示意图

图7 各位置不同腹板间距最大弯矩值

由图7可以看出，悬臂板端最大弯矩值随腹板间距的增大逐渐减小，且变化较明显；顶板端最大弯矩值随腹板间距增大逐渐增大，变化较显著；腹板顶最大弯矩值随腹板间距的增大呈先减小后增大趋势，且变化较明显；腹板底最大弯矩值随腹板间距增大逐渐增大，变化较缓慢；顶板跨中最大弯矩值随腹板间距增大先减小后增大，变化趋势较明显；底板跨中最大弯矩值受腹板间距变化影响较小，腹板间距由4.1 m增加至7.1 m，底板跨中最大弯矩值基本不变。

当箱型梁腹板间距约为4.9 m时，悬臂板与顶板最大弯矩值相同，悬臂板与顶板所需横向钢筋数量基本相等，可在悬臂板、顶板配置横向通长钢筋，充分发挥钢筋作用，经济性最好。

2.2.3 梁高

单箱单室简支箱型梁合理梁高主要由舒适性和经济性控制，舒适性控制指标主要为挠跨比、梁端转角等。以32 m单箱单室简支箱型梁为例，从经济性、舒适性、景观等方面对梁高进行比选，梁高比选值为1.9～2.3 m，控制指标见表4，工程数量及费用见表5。

由表4、表5可知，满足规范要求的32 m单箱单室简支箱型经济梁梁高为2.1 m和2.2 m，梁高2.0 m比梁高2.1 m的单箱单室简支箱型梁仅贵422元/孔，因此32 m单箱单室简支箱型梁可采用2.0、2.1、2.2 m梁高。鉴于梁高优势，推荐采用2.0 m梁高。

表4 32 m单箱单室简支箱型梁控制指标

表5 32 m单箱单室简支箱型梁工程数量及费用

2.2.4 梁跨

以某市域铁路工程（线路长1 440 m）为例对铁路常用32、36、40 m单箱单室简支箱型梁对比分析。桥梁位于平原区；地层主要由淤泥质黏性土、黏性土、粉土、砂类土等构成，分布较稳定，表层多分布人工填土；桥墩高度为2.5～12.5 m，平均桥墩高度为8.5 m。梁跨对比方案有4个，不同梁跨主要工程费用见表6。

方案1：45跨32 m简支箱型梁单个承台采用6根φ1.00 m的桩基。

方案2：40跨36 m简支箱型梁单个承台采用8根φ1.00 m的桩基。

方案3：40跨36 m简支箱型梁单个承台采用5根φ1.25 m的桩基。

方案4：36跨40 m简支箱型梁单个承台采用9根φ1.00 m的桩基。

由表6可知，满足规范要求的4个方案中，方案3和方案4价格较接近，方案2价格最高，方案1价格最低。故软土地区市域铁路桥梁梁跨推荐采用方案1，即32 m梁跨作为标准梁跨。

表6 不同梁跨主要工程费用 万元

3 市域铁路桥梁墩型

大部分市域铁路经过城市区域，其不同于城市轻轨、地铁，也有别于长大干线的客运专线铁路，要求结构紧凑、造型美观、符合城市整体规划。总体来说市域铁路桥梁桥墩应具有足够的刚度，重视桥墩景观设计及附属结构设计，使桥墩与周边环境协调，突出体现时代风貌，满足城市景观需要。目前我国铁路桥梁标准段桥墩主要采用流线形圆端实体桥墩和双柱组合式桥墩；我国城市轨道交通桥梁标准段桥墩主要采用独柱墩，桥墩造型较多，主要分两类，一类针对整体箱型梁采用Y形墩，一类针对分体箱型梁和U型梁采用T形墩［5］。

3.1 墩型选择

简支箱型梁作为我国桥梁目前采用最广泛的梁型，底板支座间距小、墩顶宽度小，推荐采用与之相配的独柱、Y形、双柱、T形、宝石顶帽矩形墩等［8］，采用时可结合墩身特点及城市景观需求选择。箱型梁墩型见图8。

图8 箱型梁墩型

U型梁的梁底与桥面宽度相当，过大的墩顶宽度决定其下部很难做成渐变式墩柱，下部结构选型及尺寸应与之相适应才能取得良好的景观效果，因此国内外已建成的U型梁墩型均为顶帽式（见图9）。

图9 U型梁墩型

3.2 桥墩截面尺寸拟定原则

需按构造要求同时结合桥墩刚度、位移等拟定桥墩截面尺寸。设计桥墩时，需根据不同的地质情况，确定墩身弹性位移占总位移的合理比例，对于一般地质，单位力墩身位移占单位力总位移的40%～60%时，桥墩和基础经济性最优，而且刚度容易满足。另外，拟定桥墩截面尺寸时不能单纯以刚度作为位移控制指标，在桥墩截面尺寸计算中，断轨力、地震力等特殊荷载控制截面尺寸和配筋数量，截面尺寸拟定过小，会出现截面配筋困难，配筋过多会导致经济性较差。

以时速160 km的32 m单箱单室简支箱型梁桥墩为例，墩高10 m时截面尺寸为1.4 m×3.2 m（方案1），当墩高加大到12 m时墩顶截面尺寸加大到1.6 m×3.4 m，墩底截面尺寸加大到2.04 m×3.84 m（方案2）。假设墩高12 m时仍采用1.4 m×3.2 m截面尺寸（方案3），桥墩刚度满足规范要求，但经济性差，而且配筋多，施工受影响。考虑断轨力作用，各方案桥墩截面尺寸与配筋对比见表7，桥墩截面尺寸拟定需同时兼顾受力、美观、经济需求。

表7 各方案桥墩截面尺寸与配筋对比

4 结束语

我国市域铁路桥梁设计规范、标准种类多，项目标准的选择应结合其功能定位、综合交通需求、自然条件及城市景观的需求，以达到安全、适用、经济、美观、环保的设计原则。连续梁体系与简支梁体系相比在力学性能上优势不突出，且施工质量及施工进度控制较难。桥梁位于基础不均匀沉降敏感的区间时，推荐优先采用简支梁体系作为区间标准结构体系；桥梁位于景观要求高、地质条件好的区间时，可采用连续梁体系或连续梁刚构体系。单箱单室简支箱型梁具有整体刚度好、结构动力性能优、造型简洁、景观效果突出、施工方便等优点，建议市域铁路桥梁优先采用单箱单室简支箱型梁，32 m梁跨作为标准梁跨，梁高采用2 m。采用单箱单室简支箱型梁时推荐采用独柱、Y形、双柱、宝石顶帽矩形墩等墩型；桥梁采用U型梁时，推荐采用顶帽式墩型。