多種城市軌道交通制式的高架橋梁結(jié)構(gòu)比較

孫汝蛟

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京　　100088）

多種城市軌道交通制式的高架橋梁結(jié)構(gòu)比較

孫汝蛟

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088）

我國(guó)城市軌道交通從單一的地下形式發(fā)展到地下-地面-高架相結(jié)合的形式。本文結(jié)合軌道交通制式出現(xiàn)的新特點(diǎn)，從線路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)荷載、上下部結(jié)構(gòu)形式、工程量等方面對(duì)現(xiàn)有各種城市軌道交通制式的高架橋梁進(jìn)行了系統(tǒng)比較研究，從橋梁結(jié)構(gòu)方面為城市軌道交通制式的選擇提供了參考。

城市軌道交通；交通制式；高架橋梁；比較分析

一個(gè)時(shí)期以來(lái)，發(fā)展以軌道交通為主的多層次、立體化的綜合交通結(jié)構(gòu)體系，已成為解決城市交通擁擠問(wèn)題的重要選擇之一。截止2014年底，我國(guó)內(nèi)地已有22個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路，總里程達(dá)到3 173 km，幾乎涵蓋了目前城市軌道交通的各種制式；軌道交通也從單一的地下形式發(fā)展到了地下-地面-高架相結(jié)合的形式，從而使城軌交通出現(xiàn)了如下新的運(yùn)行特點(diǎn)［1］：

1）線路的立體化，使線路坡度加大；

2）城建物的密集，使線路的水平曲線半徑變??；

3）城市人口的增長(zhǎng)，使運(yùn)行區(qū)間變短，必須依靠較高運(yùn)行速度和較大的加、減速度才能增大運(yùn)能；

4）環(huán)保的要求更高，要求車輛的振動(dòng)和噪聲的影響更?。?/p>

5）為減少運(yùn)營(yíng)成本必須降低土建工程的造價(jià)，要求車輛的重量輕、體積小，才能使高架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。

高架線路以其投資經(jīng)濟(jì)、施工周期短、運(yùn)營(yíng)成本低、線路適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在城市軌道交通建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。本文主要針對(duì)各種軌道交通制式橋梁結(jié)構(gòu)從線路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)荷載、上下部結(jié)構(gòu)的形式、工程量等方面進(jìn)行比較，從橋梁結(jié)構(gòu)方面為城市軌道交通制式選擇提供參考。

1　線路設(shè)計(jì)

平曲線半徑大小、機(jī)車爬坡能力強(qiáng)弱是制約線位選擇的重要因素。表1是目前幾種城市軌道交通制式線路及常用機(jī)車技術(shù)規(guī)格表。

表1　不同城市軌道交通制式線路及常用機(jī)車技術(shù)規(guī)格

從表1中可知，除了市域鐵路正線最小平曲線半徑要求2 000 m以外，跨座式單軌系統(tǒng)和 C型輕軌具有100 m的最小曲線半徑，懸掛式單軌和自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)最小半徑可達(dá)30 m，為在城市建筑密集區(qū)選線創(chuàng)造了很大空間。相對(duì)于鋼輪，由于膠輪與軌道接觸面黏著系數(shù)較大，具有較強(qiáng)的爬坡能力，跨座式單軌、自動(dòng)導(dǎo)向軌道（膠輪）系統(tǒng)能達(dá)到60‰，更能適應(yīng)變化起伏復(fù)雜的地形；不僅減小了線路或橋梁的長(zhǎng)度，還縮短了從地面到高架段干擾地面交通的過(guò)渡段。同時(shí)為提高運(yùn)營(yíng)能力，還需較高的運(yùn)營(yíng)速度和較好的機(jī)車加、減速度性能。除了懸掛式單軌和自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)速度相對(duì)較低外，其他幾種都能達(dá)到70 km/h以上，但懸掛式單軌的加、減速度均有較大的優(yōu)勢(shì)。

從線路設(shè)計(jì)方面來(lái)看，單軌系統(tǒng)、C型輕軌和自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)在建筑密集的城市選線表現(xiàn)出了良好的性能，同時(shí)減小了因?yàn)槌鞘熊壍栏呒芙ㄔO(shè)而發(fā)生的拆遷量。

2　設(shè)計(jì)荷載

國(guó)內(nèi)各種軌道交通制式的荷載分類、取值及其組合［2-5］，基本以《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）為基礎(chǔ)，考慮各自的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)進(jìn)行局部調(diào)整。例如列車橫向搖擺力在鐵路荷載規(guī)范中作為主力組合，而地鐵輕軌規(guī)范中將其列入附加力中。同時(shí)由于不同制式工作機(jī)理不同，具體的荷載項(xiàng)也有所增減，跨座式單軌交通在特殊荷載中增加了車擋影響力，減去了無(wú)縫線路縱向力；中低速磁浮可變作用中側(cè)向?qū)蛄托“霃郊s束力取代了橫向搖擺力。

軌道交通高架橋列車荷載的特點(diǎn)是：設(shè)計(jì)荷載按實(shí)際采用的車輛可能產(chǎn)生的最大軸重來(lái)考慮。也就是說(shuō)，采用不同的車型、軸距與軸數(shù)，其設(shè)計(jì)荷載是不同的。圖1是不同城市軌道交通制式中常用的列車設(shè)計(jì)荷載圖式。

圖1　不同城市軌道交通制式中常用的列車設(shè)計(jì)荷載圖式（長(zhǎng)度單位：m）

根據(jù)鐵路和城市軌道交通橋梁建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，高架橋的經(jīng)濟(jì)跨度都在40 m以下，尤其以簡(jiǎn)支30，25 m為主型跨度［6］，同時(shí)對(duì)于簡(jiǎn)支梁，均由跨中彎矩控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。根據(jù)圖1不同城市軌道交通制式的列車活載圖式，表2列出了不同城市軌道交通制式列車活載作用下跨徑30 m簡(jiǎn)支梁跨中彎矩的換算等效均布荷載。

從表2可以看出，輕型跨座式單軌、懸掛式單軌、中低速磁浮系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)、有軌電車的等效均布荷載都＜30 kN/m，尤其自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)僅為21.8 kN/m。較小的列車荷載相應(yīng)的梁截面就會(huì)減小，進(jìn)一步減輕了下部結(jié)構(gòu)受力，若同時(shí)采用膠輪的單軌系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)和非接觸式的中低速磁浮系統(tǒng)，沖擊效應(yīng)也相應(yīng)降低，減小了噪聲的發(fā)生。

表2　不同城市軌道交通制式列車活載的等效均布荷載

3　結(jié)構(gòu)比較

3.1上部結(jié)構(gòu)

城市軌道交通高架區(qū)間橋梁形式的選擇是高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提。由文獻(xiàn)［6］可知，目前城市軌道交通高架區(qū)間橋梁以30 m簡(jiǎn)支箱梁最常使用。表3是各種城市軌道交通制式30 m跨徑簡(jiǎn)支梁上下部結(jié)構(gòu)舉例。

表3　城市軌道交通不同制式橋梁上下部結(jié)構(gòu)舉例

從表3可知上部結(jié)構(gòu)跨座式單軌在土建材料用量上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，梁體混凝土、鋼絞線、普通鋼筋用量比其他制式節(jié)省很多，市域鐵路甚至分別是跨座式單軌軌道梁用量的3.74倍、2.02倍、3.74倍，材料用量相對(duì)少的直線電機(jī)輕軌也分別為2.6倍、1.33倍、2.62倍。材料的大幅節(jié)省，不僅直接降低了工程造價(jià)，跨座式單軌單梁的結(jié)構(gòu)形式也為施工帶來(lái)了便利。

跨座式單軌的線間距只有3.7 m，較小的限界除了減小了工程量，也為線路選線創(chuàng)造了更大的空間。單軌系統(tǒng)的梁體可以采用單梁直接放置在橋墩上，僅為兩根細(xì)長(zhǎng)的縱梁，通透性好，不會(huì)像地鐵輕軌等其他交通制式寬大的梁體，影響地面機(jī)動(dòng)車廢氣的排散和地面綠化采光，被折返的各種回聲也會(huì)增強(qiáng)噪聲污染，而且寬大的形體還會(huì)給城市景觀帶來(lái)一定的負(fù)面影響。中低速磁浮系統(tǒng)的梁體盡管理論上也可以像跨座式單軌那樣直接擱置在墩頂，但是目前實(shí)際運(yùn)營(yíng)的線路還不多見。

3.2下部結(jié)構(gòu)

表3中列出了不同城市軌道交通制式跨徑30 m簡(jiǎn)支梁對(duì)應(yīng)10 m墩高的工程量，除了直線電機(jī)輕軌的混凝土量稍小于輕型跨座式單軌外，其余制式的混凝土和鋼筋用量都超過(guò)輕型跨座式單軌。

機(jī)車荷載和軌道梁的總荷載大小決定了下部結(jié)構(gòu)的尺寸和構(gòu)造形式。據(jù)分析，在機(jī)車荷載相差不大的情況下，因?yàn)檐壍懒汉奢d的大幅下降，使跨座式單軌下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式可以按常規(guī)T形獨(dú)柱設(shè)置在隔離帶（圖2（a））；因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)荷載相對(duì)較小，單軌交通既可以倒L形設(shè)置在路旁（圖2（b）），又可以比較靈活地與其他高架公用下部結(jié)構(gòu)形成疊式T形墩（圖2（c））?？缱届`活的下部結(jié)構(gòu)設(shè)置方式反過(guò)來(lái)又為線位選擇創(chuàng)造了更多的便利條件。

盡管懸掛式單軌也有很靈活的下部結(jié)構(gòu)布置，但跨座式單軌相對(duì)具有更多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭缱絾诬壾囕v行駛于軌道梁頂面，高架橋結(jié)構(gòu)下部?jī)艨諠M足地面車輛安全通行即可，無(wú)需像懸掛式抬得那么高；工程結(jié)構(gòu)材料基本為鋼筋混凝土，維修量小，同時(shí)運(yùn)量潛在能力相對(duì)要強(qiáng)。

圖2　跨座式單軌橋墩

4　結(jié)論

我國(guó)城市軌道交通經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，除建設(shè)規(guī)模和運(yùn)營(yíng)里程不斷增加外，各地城市根據(jù)自身需求，城市軌道交通制式也呈現(xiàn)多樣化。既有的地鐵、輕軌、有軌電車、市域鐵路等制式，也出現(xiàn)了單軌交通、磁懸浮、直線電機(jī)等多種制式。

通過(guò)以上分析，現(xiàn)代城市軌道交通中，不同制式的軌道交通各有特點(diǎn)，總體來(lái)說(shuō)跨座式單軌結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)約，材料用量少，易于融入城市景觀環(huán)境，采用膠輪又具有噪聲小、爬坡能力強(qiáng)、曲線半徑小、建設(shè)周期短等諸多特點(diǎn)，再結(jié)合景觀設(shè)計(jì)，必將成為一道亮麗的風(fēng)景線。同時(shí)跨座式單軌交通屬中運(yùn)量城市軌道交通，在該序列中運(yùn)能屬于較高的一種，其普及的范圍正在日益擴(kuò)大。

［1］劉友梅，楊穎.城軌交通的一種新模式——直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)地鐵車輛［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2003（7）：4-7.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

［4］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50458—2008跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院. Q/CYBGMJ001—2008中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

［6］姚亞茹.軌道交通高架區(qū)間橋梁形式比選與經(jīng)濟(jì)比較［J］.鐵路工程造價(jià)管理，2006（2）：41-44.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Comparison of Elevated Bridge Structures of Several Urban Rail Transit Modes

SUN Rujiao
（CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）

T he urban rail transit modes in China have developed from single underground mode to the combination of underground-ground-elevated mode.Based on the new features of the modes，a comparative study on elevated bridge structure of several urban rail transit modes was carried out from route design，design load，superstructure and substructure and engineering quantities.How to determine the urban rail transit mode was suggested from the aspect of bridge structure.

Urban rail transit；T ransit mode；Elevated bridge structure；Comparison

孫汝蛟（1976— ），男，高級(jí)工程師，博士。

U293.5；U448.18

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.03

1003-1995（2016）07-0009-04

2016-01-19；

2016-04-20