城市軌道交通專用橋橫向剛度的規(guī)范對比分析

馬 虎,任文淵,向活躍,謝佳桃,李永樂,何孟松

(1.重慶市軌道交通(集團)有限公司,重慶 400042； 2.西南交通大學橋梁工程系,成都 610031)

隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，大跨度城市軌道交通專用橋梁逐漸增多，如：已建成的重慶蔡家嘉陵江特大橋，主跨為250 m；重慶高家花園嘉陵江軌道專用橋，主跨為350 m；重慶鵝公巖軌道專用橋，主跨達到600 m；對于跨度100～200 m的軌道交通專用橋梁則更多。大跨度城市軌道交通專用橋通常為雙線橋，橋面的寬度較為有限，導致橋梁的橫向剛度相對較小，已成為設計中的控制性因素之一。因此，對比分析已有規(guī)范和建成橋梁的橫向剛度限值是非常必要的。

李永樂等[1]對德、中、日三國規(guī)范關(guān)于梁端豎向折角限值進行了對比，得出了中國現(xiàn)有規(guī)范限值有待完善，特別討論了大跨度鐵路橋梁的特殊性；劉建瑞等[2]對于通過對比國內(nèi)外鐵路橋梁設計規(guī)范橫向剛度限值進行調(diào)研分析，對橫向剛度限值提出修訂建議。已有的研究均是針對鐵路橋梁，針對城市軌道交通專用橋的對比分析較為少見。

城市軌道交通專用橋相比鐵路及公鐵兩用橋有自己的特殊性，即橋梁寬度較窄[3]，設計時與鐵路及公鐵兩用橋梁略有差異。我國城市軌道交通專用橋的規(guī)范多參考鐵路橋梁規(guī)范，對其專門研究相對較少。城市軌道交通專用橋的橫向剛度問題是制約其向大跨度方向發(fā)展的主要因素。

本文首先簡要介紹我國城市軌道交通專用橋與鐵路橋梁規(guī)范中關(guān)于橋梁的橫向剛度的規(guī)定，然后搜集了部分已建成的大跨度鐵路橋梁和城市軌道交通專用橋的橫向剛度，對比分析了橫向撓跨比、寬跨比等橫向剛度的設計值。

1 規(guī)范中橋梁橫向剛度的規(guī)定

橫向剛度規(guī)定限值的目的在于保證列車以規(guī)定的速度通過橋梁時，橋梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)激勵的振動，防止車輪脫軌及保證乘客過橋的舒適性[4]。橋梁橫向剛度的不同指標反映出橋梁的不同的特性，涉及的控制指標相對較多，不同規(guī)范采用的橫向剛度評價指標類型有所差異，對于橋梁橫向剛度通常按偏于嚴格的原則確定其限值。以下分別介紹鐵路橋梁以及城市軌道交通專用橋?qū)τ跈M向剛度控制指標的規(guī)定。

1.1 鐵路橋梁橫向剛度的規(guī)定

綜合國內(nèi)鐵路規(guī)范關(guān)于橫向剛度的規(guī)定，鐵路橋梁設計規(guī)范對橫向剛度的控制包括4種類型。一是在考慮列車橫向搖擺力、離心力、風力以及溫度作用下梁體橫向水平撓度(即橫向撓跨比)；二是梁體橫向自振頻率；三是對梁端水平折角；四是寬跨比。規(guī)范具體規(guī)定如表1所示。表1中未列出《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，是因該規(guī)范主要針對運營性能的檢驗提供標準。

表1 鐵路橋梁橫向剛度控制指標規(guī)定

由表1可見，鐵路規(guī)范中，3種規(guī)范的加載條件基本相同，即在列車橫向搖擺力、離心力、風力以及溫度作用組合條件下，橫向撓跨比的限值均為1/4 000。其中，TB 1002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定，對于溫度變形敏感的結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際情況計入溫度作用。TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》中橫向撓跨比是針對96 m及以下跨度梁體部分橫向剛度限值， TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》是針對跨度≯168 m的鋼梁，以及跨度≯128 m墩高不超過50 m的混凝土橋梁。TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》規(guī)范適用于250～350 km/h的高速鐵路，而TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》適用于高速鐵路、城際鐵路、客貨共線Ⅰ級和Ⅱ級鐵路、重載鐵路，不同規(guī)范適用的線路類型不同，適用的跨度也不盡相同，但其對橫向撓跨比的規(guī)定是一致的。

對于橫向自振頻率，TB 1002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)范對于采用后張法預應力梁有相關(guān)規(guī)定，另外兩種規(guī)范未考慮該項指標的控制，而寬跨比也有相關(guān)規(guī)定。對于梁端水平折角，《高速鐵路設計規(guī)范》以及《鐵路橋涵設計規(guī)范》均對該指標有規(guī)定。特別地，《鐵路橋涵設計規(guī)范》同時考慮了設計時速和跨徑對于梁端水平折角的影響以及部分鋼梁橋?qū)捒绫茸龀隽讼拗啤?/p>

1.2 城市軌道交通橋梁橫向剛度的規(guī)定

城市軌道交通的相關(guān)規(guī)范對于城市軌道交通橋梁橫向剛度控制指標的規(guī)定，相比于鐵路規(guī)范，未對橫向頻率進行考慮，僅僅考慮橫向撓跨比、橋墩墩頂位移、墩頂線剛度等。規(guī)范具體規(guī)定如表2所示。

表2 城市軌道交通橋梁橫向剛度規(guī)定

由表2可知，與城市軌道交通相關(guān)的規(guī)范中，對橋梁橫向撓跨比的規(guī)定與鐵路橋梁一致，均為1/4 000，其中GB/T51234—2017《城市軌道交通橋梁設計規(guī)范》和GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》加載條件一致，而CJJ 242—2016《城市道路與軌道交通合建橋梁設計規(guī)范》與TB 1002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》的加載條件一致。GB/T51234—2017《城市軌道交通橋梁設計規(guī)范》適用于車速不超過120 km/h，梁式橋跨度不超150 m，斜拉橋和拱橋跨度不超過400 m，結(jié)合梁跨度≯80 m。而GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》適用于車速不超過100 km/h情況，CJJ 242—2016《城市道路與軌道交通合建橋梁設計規(guī)范》適用于車速不超過120 km/h情況。不同規(guī)范適用條件有所差異，但橫向撓跨比的限值是一樣的。隨著跨度的增加，不同設計車速、不同線路等級仍采用相同的標準時，相當于提高了低車速線路的設計要求，對于大跨度城市軌道交通專用橋而言建設的成本可能會明顯增加。此外，3種規(guī)范均對橋墩墩頂位移進行了控制。特別地，GB/T51234—2017《城市軌道交通橋梁設計規(guī)范》同時考慮了跨徑對橋墩墩頂位移的影響，當跨度<5 m時，梁縫水平折角不應大于2.5‰。

橫向振動頻率、寬跨比與速度無關(guān)，多僅用于中小跨度橋梁，橫向撓跨比、梁端水平折角和橋墩墩頂位移則通過位移(或角位移)進行控制。綜合已有規(guī)范，橫向撓跨比是鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范和城市軌道交通橋梁相關(guān)規(guī)范關(guān)注的重點，因此以下實際橋梁橫向剛度的調(diào)研主要以橫向撓跨比為主。

2 橋梁橫向剛度的調(diào)查

因很多文獻中均未給出橫向撓跨比等參數(shù)，因此本次橋梁橫向剛度共選取了國內(nèi)外20座典型橋梁的橫向剛度指標，以下分別從橋梁主跨跨度、交通類型和結(jié)構(gòu)類型以及橫向撓跨比等對所選取的橋梁進行統(tǒng)計，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 橋梁橫向剛度的基本數(shù)據(jù)

對表3中的橫向剛度數(shù)據(jù)，鐵路以及公鐵兩用橋梁的數(shù)據(jù)在參考文獻中若與規(guī)范限值進行了對比，則認為其采用了規(guī)范所規(guī)定的加載條件。溫州甌江北口過江通道的撓跨比為風-車-橋耦合振動分析結(jié)果，風速為25 m/s，其加載條件雖與規(guī)范有所差異，但對于大跨度橋梁而言，列車的橫向搖擺力相對風荷載而言已較小，此時風荷載占主要部分，因此可認為與規(guī)范加載條件類似。部分文獻只列出了撓跨比，但并未明確給出其加載條件，這一部分橋梁均是來自日本的橋梁，其橫向撓跨比均相對較大，其加載條件應與我國規(guī)范中的加載條件有所有區(qū)別。軌道交通專用橋的橫向剛度數(shù)據(jù)由重慶市軌道交通(集團)有限公司提供，按規(guī)范的條件進行加載。

將表3中加載條件不明確的橋梁去掉后，城市軌道交通專用橋和鐵路橋的橫向撓跨比對比見圖1。由圖1可知，隨著跨度的增加，橫向撓跨比已較難滿足規(guī)范規(guī)定的限值要求。雖然部分橋梁的跨度遠大于規(guī)范規(guī)定的范圍，但其橫向剛度仍滿足要求，此時橋梁的寬度通常較寬，以城軌專用橋為例，在小跨度的梁式橋中，雙線橋的橫向?qū)挾仍?2.0 m左右，但從表3可以看出，跨度增加大時，橫向?qū)挾蕊@著增加。

圖1 橋梁橫向撓跨比

城市軌道交通專用橋和鐵路橋的寬跨比的對比如圖2所示。我國多數(shù)規(guī)范均未對寬跨比進行規(guī)定，僅TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》中對簡支板梁和下承式鋼桁梁寬跨比進行了規(guī)定，但寬跨比在一定程度上也可以反映橋梁的橫向剛度。從圖2可見，隨著跨度的增加，寬跨比總體上隨跨度的增加而減小，這與跨度增加，橫向剛度減小的規(guī)律是一致的。公鐵和公軌兩用橋梁的橋面寬度通常較大，其橫向剛度通常能滿足要求，但對于大跨度軌道專用橋而言，若仍采用1/4 000的橫向撓跨比作為橋梁橫向剛度的限值時，建設成本可能會明顯增加。

圖2 橋梁寬跨比

從橫向撓跨比限值的加載條件為風力、列車橫向搖擺力、溫度作用等，是進行使用極限狀態(tài)的驗算，針對的是橫風作用下列車通過橋梁時的安全性。因此，在城市軌道交通橋梁的相關(guān)規(guī)范中，對于跨度超過100 m的橋梁要求進行車-橋及風-車-橋耦合振動分析，可作為對橋梁橫向剛度規(guī)定的一個重要補充。此外，還可以考慮適當放寬橫向剛度的限值要求，如：鵝公巖城市軌道交通專用橋在設計時則降低了橫向撓跨比限值。

3 結(jié)論

本文首先回顧了我國現(xiàn)行的鐵路橋梁規(guī)范和城市軌道交通橋梁規(guī)范對于橫向剛度的規(guī)定，搜集了15座鐵路、公鐵(軌)兩用大跨度橋梁和5座城市軌道交通專用橋橫向剛度信息，并與現(xiàn)有規(guī)范進行了對比，得出如下結(jié)論。

(1)我國鐵路規(guī)范和城市軌道交通橋梁規(guī)范對于橋梁橫向剛度的規(guī)定中，對橫向撓跨比的限值均為1/4 000，但不同規(guī)范所有適用的跨度及車速有所區(qū)別。

(2)文獻調(diào)研表明，鐵路、公鐵(軌)兩用橋的橋面相對較寬，橫向剛度較大，對于大跨度橋梁的橫向剛度相對容易滿足要求。但對于軌道交通專用橋而言，橋面相對較窄，當跨度遠超規(guī)范適用范圍時，仍要求滿足橫向撓跨比的規(guī)定時，可能會顯著增加建設的成本，部分在建的城市軌道交通專用橋梁采用降低后的限值標準。

(3) 對于大跨度城市軌道交通專用橋，可通過風-車-橋耦合振動研究行車安全，作為對橋梁橫向剛度評價的指標之一。