王勇 贺英阁 姜海君 种博肖 廖凯 郭向荣
1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 桥梁设计院, 北京 102600; 2.中南大学 土木工程学院, 长沙 410083
市域(郊)铁路是一种新型轨道交通系统,国务院办公厅《关于推动都市圈市域(郊)铁路加快发展的意见》(国办函〔2020〕116号)明确鼓励有条件的地区建设市域(郊)铁路,市域(郊)铁路发展前景广阔。
TB 10624—2020《市域(郊)铁路设计规范》[1]于2021年初实施,该类交通系统的建设尚处于起步阶段,已建或在建项目多为一事一议,工程建设标准化低。该类型铁路多走行于城市及郊区,桥梁占比大,为推动其标准化建设,有必要对标准桥梁进行研究[2]。
本文以苏虞张市域(郊)铁路(简称苏虞张线)为例,通过工程类比、分项详细分析等方法对其标准桥梁跨径、桥墩及基础进行研究,旨在提出更加经济合理、安全适用、景观协调的桥梁方案。
苏虞张线为待建铁路,于2023年10月取得可行性研究批复,目前正在开展初步设计。该线自苏州北站引出,蜿蜒向北西方向经常熟至张家港,终点止于金港镇,线路全长89.3 km,全线设6座桥梁,总长57.97 km;设12座地下站、1座岛式高架站和9座侧式高架站。该线可以推动苏州市域一体化发展,落实长三角多层次轨道交通规划、构建高效的综合交通体系[3]。
主要技术标准:双线时速160 km无砟轨道;最大纵坡25‰、困难条件30‰;平面曲线半径1 400 m、困难条件1 300 m;采用ZS设计活载。
沿线为太湖水网平原,地势平坦,水系与道路交织成网,经济发达,人口稠密。工程场址地表被第四系地层覆盖,主要为人工填土、黏性土、淤泥质土、粉砂土;基本地震动峰值加速度0.05g~0.10g,特征周期0.35~0.40 s。
轨道交通及市域(郊)铁路高架桥,主要采用简支梁、连续梁和连续刚构梁式体系[4]。对温州S1和S2线、台州S1线、郑许市域铁路等国内46个轨道交通及市域(郊)铁路项目进行统计分析,发现采用简支梁体系的项目有33个,占比71.7%;连续梁体系10个,占比21.7%;余下3个项目均为广州地铁,采用了连续刚构体系[5],占比仅6.5%。不同体系桥梁综合对比见表1。
表1 简支梁、连续梁和连续刚构体系综合对比
标准桥跨的跨度不宜过大,刚度大、整体性好的连续梁和连续刚构在小跨结构中优势不明显。与之相比,简支梁体系受力明确、工程造价低、施工周期短且简洁美观。结合该线地质条件差、沿线城镇化程度高、施工工期紧等特点,推荐简支梁体系作为该线标准段桥梁结构体系。
市域(郊)铁路桥梁常用跨度简支梁可选用箱梁、T梁、Π梁、板梁、U形梁、组合梁等结构形式[1]。
1)已建及在建项目梁型统计分析
调研的46个项目显示:采用单箱单室大箱梁的项目有33个,占比71.7%;单线并置组合U形梁8个,占比17.4%;组合小箱梁4个,占比8.7%;I型组合梁1个,占比2.2%;T梁未见采用。
2)不同梁型经济性分析
以常用跨度30 m为例,对不同梁型进行经济性分析,见表2。可知,四种梁型中T梁造价最低,其他依次为大箱梁、组合小箱梁和U形梁。
表2 跨度30 m不同梁型经济性对比
3)梁型综合比选
梁型除应满足使用功能和受力需要外,还应力求经济、简洁美观并方便施工。不同梁型综合对比见表3。
综合调研结果和表3可知:国内尚未有类似项目采用T梁,兼之其横向连接薄弱、整体刚度差,与城市景观的协调性差,尽管其投资少,本项目不采用该梁型;U形梁除结构高度低、可少量降低桥高外,并非理想的受力结构,且国内较少应用,因此,该线亦不采用该梁型;组合小箱梁与大箱梁优缺点相当,除投资较高、桥墩墩顶横向尺寸较大外,对线间距的适应性较好,尤其适用于岛式车站较多的项目,但苏虞张线90%以上的高架站为侧式站,站内双线线间距与区间一致,因此,本项目亦不采用该梁型;大箱梁整体性好,施工工序少,施工速度快,桥墩顶帽尺寸小,我国高速铁路、大部分城市轨道交通和市域(郊)铁路桥梁均采用双线大箱梁,大量案例证明了双线大箱梁较其他梁型优势大,因此,该线优先采用双线大箱梁。
1)不同交通制式的习惯性跨径
国铁制式桥梁常用跨度为4、8 m的倍数,如24、32 m;公路、市政和城市轨道交通制式的常用跨径为5 m的倍数,如25、30、35 m。苏虞张线为市域(郊)铁路,市域规范的部分技术指标以16、24、32 m为基准,标准桥跨参考国铁制式有一定的合理性。该线的建设和运管单位均为地方轨交集团,项目建设和运维仍需按城轨项目的习惯执行。因此,苏虞张线的标准梁跨径采用5 m的倍数。
2)行业常用跨径统计分析
调研的46个项目中,跨径25、30、35、40 m的项目分别有8个、31个、4个和3个,占比分别为17.4%、67.4%、8.7%和6.5%。25 m梁主要在2006年以前采用,后续项目多采用30 m梁;近年来,无锡、台州、温州等深厚软土和低烈度地震区采用35 m梁;广州地铁的连续刚构桥采用40 m梁,其他项目未见采用。
3)经济性分析
选取该线平均墩高10 m的桥梁工点,分别对跨径30、35、40 m的方案进行对比,见表4。可知,桥梁投资随跨径增加而递减。以35 m梁为基准,30 m梁造价高出4.29%,40 m梁低1.14%。
表4 平均墩高10 m时不同跨径桥梁经济性对比
4)对预制架设法的适应性分析
除较短的泗港特大桥(桥长650 m)外,苏虞张线设5座较长特大桥,其余为地下区间,除常熟市区段外,其余各区段的简支桥孔数均超过250孔,具备设置梁场的条件,采用梁场预制、架桥机架设施工。
通过调研可知,国内各运架设备厂商均具备制造35 m梁运架设备或将现有30 m梁设备改造为35 m梁设备的能力;对于城市轨道交通或市域(郊)铁路40 m梁,目前国内还没有相关的运架梁设备,需要重新研制。
5)景观分析
当城市桥梁墩高与跨度比例在1∶2.4 ~ 1∶4.0时[6],桥梁景观较好,符合人们的视觉审美习惯。桥梁跨径为20 ~ 35 m在合理美学范围。
苏虞张线位于太湖水网平原区,沿线软土深厚,且全线地震烈度较低,应优先采用跨径大的桥梁;从经济性而言,跨径越大经济性越优,40 m梁具有优势,但其难以适应现有预制架设设备,可实施性较差;从景观方面考虑,40 m梁跨径偏大,不能给人美的视感。
综上,35 m梁的经济性以及对预制架设工法的适应性和景观效果均较好,因此,推荐35 m作为苏虞张线桥梁标准跨径。
1)桥面布置
苏虞张线采用城市轨道交通制式,桥上疏散通道设于线间,桥两侧设接触网立柱和防护墙。线间疏散通道宽1.2 m,综合考虑限界要求双线线间距取4.6 m,梁顶宽11 m,见图1。
图1 标准双线桥桥面布置(单位:mm)
2)结构尺寸拟定思路
①梁高。根据现行城市轨道交通桥梁高、跨度增幅和梁高加高值的关系综合拟定。现行城轨30 m梁高1.8 m,因市域(郊)铁路活载增加,该线暂定30 m梁高1.85 m。高速铁路桥梁跨度每增加8 m梁高增加0.4 m;公路小箱梁跨度每增加5 m梁高增加0.2 m,综合两种梁的变化趋势,苏虞张线按跨度每增加5 m,梁高增加0.2 m。35 m梁梁高初步取2.05 m,并分别采用2.00、2.10 m进行比选。
②腹板预应力钢束。采用大型号单排钢束,除梁端局部区域外,腹板厚度360 mm[7]。
3)力学性能分析及梁高比选结果
双线35 m梁不同梁高时的梁部应力、强度和变形结果分别见表5、表6。可知,三种梁高的35 m简支梁,强度、应力及变形结果均满足规范[8]要求,且梁高越高,各指标越富余。
表5 35 m梁不同梁高梁部应力计算结果
表6 35 m梁不同梁高时梁部强度、抗裂和变形计算结果
不同梁高时的梁部主要尺寸和工程数量对比见表7。可知,梁高越高,预应力筋用量越小;2.05 m梁高混凝土用量最小。经综合比较,35 m简支箱梁梁高推荐取2.05 m。
表7 35 m梁不同梁高梁部主要结构尺寸及工程数量
4)结构构造
根据前述研究分析,苏虞张线双线标准跨径35 m梁梁高2.05 m,顶板厚250 ~ 500 mm,底板厚280 ~700 mm,腹板厚360 ~ 950 mm,梁顶、底和腹板厚度均按折线变化,见图2。
图2 35 m箱梁截面(单位:mm)
轨道交通和铁路大线桥梁墩型主要有矩形花瓶墩、中空式花瓶墩、圆端形花瓶墩、T形墩和双柱墩[9],其中,圆端形墩主要应用于铁路大线桥梁,城市轨道交通或市域(郊)铁路桥应用较少。与其余墩型相比,矩形花瓶墩造型简洁,模板简单,施工方便;与双柱墩相比,矩形花瓶墩占地少,且与道路斜交时处理更为简单。因此,推荐苏虞张线采用矩形花瓶墩。
1)部分已建和在建项目墩身尺寸
统计温州S1线、滁宁城际铁路等6个项目的最高桥墩尺寸,见表8。可知,墩身纵横向坡率大多采用直坡,尺寸均按墩高分级,一般分为3 ~ 11 m、11 ~ 14 m、14 ~ 20 m三档,各档最高墩墩底纵向尺寸分别约1.8、2.0、2.6 m,横向尺寸分别为2.9、3.1、3.5 m。
表8 墩身尺寸m
2)桥墩设计控制因素
桥墩尺寸主要受墩顶构造、材料强度和墩顶综合线刚度控制,且往往由刚度控制墩身纵向尺寸[10]。已建项目的桥墩刚度均执行城市轨道交通桥梁的要求,而市域规范与其他国铁大线、城市轨道交通规范有较大区别,市域(郊)铁路、城际铁路、城市轨道交通、客货共线铁路、重载铁路对应的桥墩墩顶纵向水平线刚度限值,分别为190、265、320、350、400 kN/cm。由此可知,不同轨道交通系统对墩顶刚度限值的要求差别较大,市域铁路最小,重载铁路最大。与城际铁路、城市轨道交通、客货共线铁路和重载铁路相比,市域铁路刚度限值分别小28.3%、40.6%、45.7%和52.5%,刚度限值降低,理论上墩身尺寸存在一定的优化空间。
3)桥墩尺寸
根据苏虞张线墩高和沿线地质特点,结合基础对墩身尺寸进行了技术和经济比选,最终确定三档墩高,分别为3 ~ 10 m、10.5 ~ 13.0 m、13.5 ~ 20.0 m。不考虑基础作用时,各档墩最高墩的墩顶纵向水平线刚度分别为461、506、465 kN/cm。墩身构造尺寸见图3。
图3 墩身构造尺寸(单位:cm)
4)动力性能
选用平均墩高10 m(墩高范围5 ~ 18 m)、38孔35 m简支梁桥进行车桥耦合动力仿真分析。38孔梁中,4跨位于半径为750 m的圆曲线上,8跨位于缓和曲线上,其余均位于直线段。主要动力分析结果见表9。
表9 35 m梁桥主要动力分析结果
35 m简支梁桥墩梁纵漂、主梁横弯和主梁竖弯对应的最小自振频率分别为0.930、1.757、2.767 Hz,竖向自振频率小于限值2.934 Hz[11];列车通过时的最大动力系数为1.3,未出现明显共振现象;市域(郊)铁路CRH6型车以速度120 ~ 160 km/h通过时,桥梁的振动性能均在限值以内,车辆各项安全性、舒适性指标亦均在限值以内,说明列车运行的安全性、舒适性得到保障。35 m简支梁及配套桥墩具有足够的竖向和横向刚度,能够满足市域(郊)列车CRH6以速度120 ~160 km/h运行时的安全性和舒适性要求。
1)常用桩基类型及优缺点
苏虞张线桥梁均采用桩基础。公路、市政、轨道交通桥梁及常规铁路桥梁可选用的桩基主要有钻孔灌注桩、打入预应力管桩(简称打入桩)、预钻根植桩、后压浆钻孔灌注桩等。不同类型桩基综合对比见表10。可知,钻孔灌注桩工艺简单、成熟,施工质量、成桩承载力可靠,应用最广;打入桩为装配式结构,无泥浆,基本无现场浇筑混凝土作业,节能环保,符合当今建筑潮流及政策鼓励方向,主要受地质及周边场址环境约束,有条件时推荐应用;预钻根植桩为一种新型桩基形式[12],为装配式结构,现场无现浇混凝土作业,仅需处置沉桩所挤出的少量泥浆,比较节能环保,目前虽有建设标准化协会标准、地方标准及铁道学会标准,但没有铁路行业标准,鲜有铁路桥梁应用案例,应慎重使用;后压浆钻孔灌注桩[13]与常规钻孔桩相似,由于桩底、桩侧土体注浆加固,桩长变短,经济效益明显,目前有公路行业标准及铁道学会标准,但没有铁路行业标准,仅有个别铁路桥梁墩台试验性应用,亦应慎重使用。
表10 不同类型桩基综合对比
2)不同类型桩基经济性比选
以长1 400 m、墩高10 m、跨径35 m的梁桥为例,不同类型桩基经济性比选见表11。可知,与常规钻孔桩相比,打入桩最经济,节约投资19.2%;两种新型桩基(后压浆桩、根植桩)也具有一定的经济优势,节约投资分别为7.6%、2.8%,但不明显。
表11 不同类型桩基经济性比选
苏虞张线走行地区多为黏土、粉砂类土,沿线经济发达,城市、村镇密布,既有构(建)筑物多,综合不同桩基特点和经济分析,该线原则上仍以常规钻孔灌注桩为主。当桥梁位于农田、水塘等远离周边既有构筑物的区段时,选用打入桩;对于后压浆桩、根植桩,有条件时可少量试验性应用。
1)苏虞张线标准桥梁宜采用梁场整孔预制、架桥机架设施工的35 m跨径双线简支大箱梁。
2)市域(郊)铁路桥梁的优选跨径需结合行业习惯、经济性、对预制架设工法的适应性和景观等因素综合确定,当其产权或运维归属城市轨道交通模式时,跨径35 m为最优跨径。
3)当35 m梁的腹板采用单排大型号预应力钢束和大吨位锚具时,其结构尺寸较优。
4)桥墩设计采用了最新市域(郊)铁路规范的要求,墩顶综合线刚度降低较多,墩身纵向尺寸优化明显,高度10 m及以下桥墩,墩身纵向可取1.2 m,桥梁动力性能满足要求,结构更加轻盈,投资也更低。
5)打入桩是最经济的桩基形式,但因振动问题而受限;预钻根植桩和后压浆桩实质均为压浆桩,虽然在经济、环保等方面具有一定的优势,但压浆质量目前尚难以检测或缺乏有效的判据,该桩型可以少量试验应用;常规钻孔灌注桩仍是市域郊铁路主要采用的桩基形式。
本研究已顺利通过苏虞张线可行性研究评审,研究成果可为该项目后续建设起到积极推进作用。