上海市域鐵路橋梁主要技術標準分析

王法武

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

1 概 述

上海市域鐵路是中心城區(qū)聯(lián)接周邊城鎮(zhèn)組團及城鎮(zhèn)組團之間的快速度、大運量、公交化的軌道交通系統(tǒng)，是綜合交通體系的重要組成部分。市域鐵路自成體系、獨立運營，重要節(jié)點宜與國鐵線路互聯(lián)互通，具備貫通運營條件。上海市域鐵路最高設計速度200 km/h，采用單相工頻交流25 kV牽引供電制式，僅運行動車組列車，正線采用雙塊式無砟軌道。本文對上海市域鐵路橋梁關鍵技術進行分析，為今后市域鐵路橋梁設計提供參考。

2 列車設計活載

我國鐵路橋梁設計荷載圖式是采用概化的包絡圖式，列車活載制定的總體原則是“設計荷載圖式靜效應×設計動力系數(shù)＞運營車輛靜效應×運營動力系數(shù)”[1，2]。

我國高速鐵路（新建設計時速250～350 km/h的客運專線）列車設計活載采用ZK活載[6]。

ZK活載制定時兼顧考慮以下列車荷載：（1）高速列車：德國ICE列車、法國TGV列車、日本200系列車；（2）跨線客車：SS8+客車和DF11+客車；（3）跨線貨車：8K雙機+C62貨車和DF4+C62貨車；（4）養(yǎng)路機械荷載[1]。因此上海市域鐵路橋梁如采用ZK活載會有較大富裕量，不夠合理經(jīng)濟。

根據(jù)2011年組織開展的“時速250 km以下客運專線鐵路（城際鐵路）設計活載及橋梁結構相關技術標準研究”結論，時速200 km及以下、不開行機車牽引旅客列車的城際鐵路可采用ZC活載[3，5]。城際鐵路ZC活載圖式見圖1。

圖1ZC活載圖式

由中國鐵道學會發(fā)布的鐵道行業(yè)團體標準《市域鐵路設計規(guī)范》T/CRS C0101-2017中提出ZS活載圖式。ZS活載圖式適用于設計速度不大于160 km/h、僅運行動車組的客運專線鐵路，ZS活載圖式見圖 2[4，9]。

圖2 ZS活載圖式

以下是ZC活載與ZS活載的對比分析。

以跨度32 m雙線簡支箱梁為例，采用ZC活載時，跨中截面位置的恒載與活載彎矩之比為2.25∶1，活載彎矩占總彎矩的30.8%；采用ZS活載時，跨中截面位置的恒載與活載彎矩之比為3.07∶1，活載彎矩占總彎矩的24.6%?？梢娏熊嚮钶d占比較小。

對于設計速度160 km/h的市域鐵路，采用ZC活載和ZS活載的經(jīng)濟性對比分析如下：上海地區(qū)為軟土地質，樁基為摩擦樁，樁基由沉降控制。橋墩采用鋼筋混凝土結構，墩身截面尺寸主要由剛度控制。采用兩種不同的活載圖式，樁基和橋墩工程量無差異。不同活載圖式主要影響上部結構工程量。以跨度32 m雙線簡支箱梁為例，采用ZC活載設計時，一孔梁配置的預應力鋼絞線用量為9.1 t；采用ZS荷載時，一孔梁配置的預應力鋼絞線用量為8.3 t，兩者相差9.7%。一孔32 m雙線簡支箱梁上部結構造價87萬，上部和下部結構總造價256萬。增加的鋼絞線費用占上部結構造價的0.7%，占上、下部總造價的0.25%。

綜上，對于剛度及沉降控制要求嚴格的市域鐵路橋梁，列車活載占比較小，列車活載圖式的變化對工程經(jīng)濟性影響不明顯。

根據(jù)上海市域鐵路的功能定位，僅運行最高設計速度200 km/h及以下動車組，重要節(jié)點與國鐵互聯(lián)互通，具備貫通運營條件。因此，上海市域鐵路采用和城際鐵路相同的活載圖式，即采用ZC活載圖式。

3 橋梁結構形式

客運專線和城市軌道交通橋梁一般采用箱梁，個別城市軌道交通也有采用U梁。普速鐵路一般采用T梁。箱梁整體性好而且簡潔、美觀、便于施工，U梁能適當降低線路縱斷面且具有一定的降噪功能，T梁經(jīng)濟性較好且施工方便。

考慮城市景觀要求和預留聲屏障基礎預埋件，市域鐵路橋梁推薦采用箱梁。箱梁抗扭剛度大，受力性能好，對于線路平面的適應性好。

4 橋墩結構形式

鐵路橋梁一般采用圓端型實體橋墩，橋墩按素混凝土結構設計[7]，配置護面鋼筋。橋墩尺寸一般較大。

市域鐵路一般在城市道路路中或路側敷設，空間狹小，對橋梁景觀要求高，橋墩設計力求纖細、美觀，借鑒城市軌道交通橋梁設計經(jīng)驗，市域鐵路橋墩采用矩形花瓶式橋墩，按照鋼筋混凝土結構設計。

5 抗震設計

市域鐵路橋梁抗震分析按現(xiàn)行國家標準《鐵路工程抗震設計規(guī)范》GB50111的規(guī)定執(zhí)行。橋墩抗震設計時，蓋梁、節(jié)點及基礎應作為能力保護構件，并按能力保護原則設計。

6 橋墩縱向水平線剛度

市域鐵路采用跨區(qū)間無縫線路，為保證橋上無縫線路的穩(wěn)定和安全性，必須檢算由于溫度變化、列車制動等產(chǎn)生的鋼軌附加應力。現(xiàn)有大量實驗研究成果表明：列車制動作用下，橋梁墩臺頂縱向制動附加力和分布除受輪軌粘著系數(shù)、線路阻力等參數(shù)影響外，主要由墩臺頂縱向水平線剛度及相鄰墩臺頂剛度匹配所決定。因此墩臺合理的縱向線剛度限值是橋梁及橋上線路設計的關鍵參數(shù)之一。

《地鐵設計規(guī)范》（GB 50157—2013）規(guī)定：橋墩線剛度限值應根據(jù)工程條件及扣件阻力經(jīng)鋼軌動彎應力、溫度應力、制動應力和制動附加力的計算確定。不作計算時，可按表1規(guī)定取值[8]。

表1 地鐵橋墩墩頂縱向水平線剛度限值

《城際鐵路設計規(guī)范》（TB 10623—2014）規(guī)定：混凝土簡支梁橋墩頂部水平線剛度應滿足表2規(guī)定的限值要求[5]。

表2 城際鐵路橋墩墩頂縱向水平線剛度限值

根據(jù)理論分析和現(xiàn)有資料分析，地鐵規(guī)范規(guī)定的橋墩縱向線剛度限值偏大。上海市域鐵路橋墩縱向水平線剛度采用城際鐵路的限值標準。

7 豎向自振頻率

豎向自振頻率反映了結構的動力性能。對于市域鐵路橋梁，由于其列車荷載會產(chǎn)生頻率較高的激振荷載，當激振頻率和結構自振頻率接近時，產(chǎn)生較大振動。所以設計要對頻率限值作規(guī)定，目的是使設計的橋梁自振頻率盡量避開激振頻率，橋梁不要產(chǎn)生較大振動。

市域鐵路對簡支梁豎向自振頻率限值的規(guī)定與城際鐵路相同。

8 結構變形

市域鐵路橋梁對結構變形的控制體現(xiàn)在對梁體撓跨比、梁端轉角、梁體殘余徐變變形、墩臺基礎工后沉降等方面，具體限值要求同《城際鐵路設計規(guī)范》。

橋梁的撓跨比反映了其抗彎剛度。它定義為列車靜活載作用下橋梁的撓度和跨度之比?？刂茦蛄簱隙鹊闹饕康氖菨M足車輛的乘坐舒適度要求，當然也保證行車的安全性以及減小對橋梁的沖擊。但舒適性和安全性相比，一般是舒適性控制。

限制梁端轉角大小是為了保證梁端扣件系統(tǒng)的受力及線路安全，減小運營期間的維修工作量。梁端折角愈大，鋼軌扣件上拔力愈大；支座外懸臂長度愈長，上拔力也愈大。

對梁體殘余徐變變形的控制主要是為了滿足線路平順性要求。

橋梁墩臺基礎工后沉降限值主要是為滿足列車運行安全和舒適要求。

9 施 工

市域鐵路對橋梁施工提出較高要求，應優(yōu)先考慮預制拼裝結構。橋梁上部結構可以采用整孔預制架設、節(jié)段預制拼裝施工工法。整孔預制架設梁場占地面積大，對運架要求高；節(jié)段預制拼裝梁場占地小，對運架設要求低。

鐵路和城市軌道交通橋墩一般采用現(xiàn)澆施工，借鑒城市高架橋墩預制拼裝施工經(jīng)驗，可采用預制拼裝施工。

樁基根據(jù)具體場地條件可采用鉆孔樁、高頻免共振鋼管樁、PHC預制管樁。城市中心城區(qū)對環(huán)境保護要求高，秉承綠色施工理念，可采用高頻免共振鋼管樁。郊區(qū)人口稀少地區(qū)可采用PHC預制管樁或鉆孔樁。

10 結 語

（1）上海市域鐵路最高設計速度200 km/h，重要節(jié)點宜與國鐵線路互聯(lián)互通，車輛采用和諧號CRH6型城際動車組。橋梁列車設計活載采用城際鐵路列車活載，即ZC荷載。

（2）考慮城市景觀要求和預留聲屏障基礎預埋件，市域鐵路橋梁推薦采用箱梁。箱梁抗扭剛度大，受力性能好，對于線路平面的適應性好。

（3）借鑒城市軌道交通橋梁設計經(jīng)驗，市域鐵路橋墩采用花瓶式橋墩，按照鋼筋混凝土結構設計。橋墩抗震設計時，蓋梁、節(jié)點及基礎應作為能力保護構件，并按能力保護原則設計。

（4）考慮市域鐵路運營安全性和舒適性要求，對簡支梁豎向自振頻率、梁體撓跨比、梁端轉角、梁體殘余徐變變形、墩臺基礎工后沉降等應控制，具體限值標準與《城際鐵路設計規(guī)范》相同。

（5）秉承綠色施工理念，城市環(huán)境對市域鐵路橋梁施工提出較高要求，應優(yōu)先考慮采用預制拼裝結構。