市域鐵路橋梁選型研究

張海，顏志華，蔣成強

（中國鐵路設計集團有限公司 土建工程設計研究院，天津 300300）

0 引言

市域鐵路是伴隨我國城鎮(zhèn)化和區(qū)域一體化發(fā)展產生的新型交通系統(tǒng)，相較于近10年來我國高速鐵路和城際鐵路的蓬勃發(fā)展，市域鐵路在我國起步較晚，尚屬探索階段。世界發(fā)達國家都市圈均覆蓋范圍廣泛的市域鐵路，在大都市區(qū)公共交通中發(fā)揮骨干作用［1-2］。目前我國市域鐵路設計規(guī)范、標準種類較多，包括國家標準、行業(yè)標準、地方標準等，主要有國家鐵路局行業(yè)規(guī)范、中國鐵道學會設計規(guī)范、中國土木工程學會設計規(guī)范、中國城市軌道交通協(xié)會標準、中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部地鐵快線設計標準及地方標準等。市域鐵路設計速度100～160 km/h，設計荷載有ZS、SS、城際快線活載，運行市域A、B、D、CRH等市域車輛［3］。

總體來說，我國市域鐵路存在標準多樣、橋梁結構體系及結構選型與地域特點結合不密切等問題，區(qū)間高架橋還需進一步對結構體系及橋墩、橋梁選型做進一步研究，以適應市域鐵路安全、適用、經濟、美觀、環(huán)保設計的需求。

1 市域鐵路橋梁結構體系

1.1 結構體系種類

軌道交通橋梁結構可供選擇的體系主要有：簡支梁體系、連續(xù)梁體系、連續(xù)梁剛構體系。簡支梁體系作為一種在橋梁建設中被廣泛應用的結構體系，在北京地鐵機場線、上海軌道交通3號線等眾多項目中得到應用；連續(xù)梁體系經濟性指標較好，但對收縮、徐變、沉降的反應較簡支梁體系敏感，在北京地鐵5號線等項目中得到應用；連續(xù)梁剛構體系作為一種超靜定結構，整體剛度優(yōu)勢明顯，但對收縮、徐變、沉降的反應更敏感，目前我國應用項目較少，僅廣州地鐵14號線等項目采用了該種結構體系。我國部分城市軌道交通橋梁結構體系見表1。

表1 我國部分城市軌道交通橋梁結構體系

1.2 結構體系特點

市域鐵路橋梁各結構體系抗震性能、結構特性、橋梁景觀、施工質量、施工方法、施工工藝、環(huán)境影響［4］等特點見表2。

表2 市域鐵路橋梁各結構體系特點

1.3 結構體系選擇

通過綜合比較，小跨度連續(xù)梁、連續(xù)梁剛構體系與簡支梁體系相比在力學性能上優(yōu)勢不突出，且施工質量及施工進度控制較難，對基礎沉降敏感，特別是深厚軟土、地層復雜區(qū)間，基礎不均勻沉降控制難度大，此時推薦采用簡支梁體系作為區(qū)間標準結構體系；對景觀效果要求高、地質條件好的區(qū)間，可考慮采用連續(xù)梁或連續(xù)梁剛構體系。

2 市域鐵路橋梁梁型

2.1 梁型選擇

市域鐵路橋梁梁型有預應力混凝土箱型梁、預應力混凝土組合梁、鋼混結合梁、空心板梁、雙肋板梁、槽型梁等（見圖1—圖5），各種梁型有其獨有的特點［5-6］。

圖1 預應力混凝土箱型梁

圖5 雙肋板梁

圖2 槽型梁

圖3 預應力混凝土組合梁

圖4 鋼混結合梁

上述眾多梁型中鋼混結合梁造價較高，噪聲較大，養(yǎng)修維護復雜；板梁由于自身受力特性的限制，不宜在市域鐵路應用；單箱多室弧形箱型梁設計和施工復雜，故目前市域鐵路大多采用單箱單室簡支箱型梁、雙箱單室簡支箱型梁和U型梁。從結構特性、功能性、減震降噪性能、施工難度等方面對3種常用簡支梁梁型進行綜合比較（見表3）。

表3 3種常用簡支梁梁型綜合比較項目

通過綜合比選可知，單箱單室簡支箱型梁具有整體剛度好、結構動力性能優(yōu)、造型簡潔、景觀效果好、施工方便等優(yōu)點，建議市域鐵路優(yōu)先采用單箱單室簡支箱型梁結構。

2.2 單箱單室簡支箱型梁

單箱單室簡支箱型梁作為市域鐵路橋梁推薦的梁型，其橋面寬度、梁高、構造、跨度等梁部結構形式與橋跨結構的耐久性和養(yǎng)護維修工作有密切關系，直接影響工程總造價，在滿足橋梁受力性能、施工安全、運營及養(yǎng)護維修等要求下，應采用經濟、美觀、適用的梁部結構形式。以時速160 km市域鐵路橋梁雙線單箱單室簡支箱型梁為例進行分析。

2.2.1 橋面寬度

橋面寬度通常需考慮線路線間距、建筑限界、橋梁頂面的排水系統(tǒng)、風壓帶寬度、最小曲線半徑、人行道寬度及結構形式、擋砟墻（或防護墻）結構尺寸、電纜槽寬度、接觸網支柱基礎結構尺寸、聲屏障基礎結構尺寸、檢查養(yǎng)修方式等因素［7］。綜合以上因素及市域鐵路橋梁功能需求，建議雙線無砟軌道單箱單室簡支箱型梁橋面寬度為10.6～11.0 m；雙線有砟軌道單箱單室簡支箱型梁橋面寬度為11.4～11.8 m。

2.2.2 腹板間距

雙線單箱單室簡支箱型梁截面形式、梁體的橫向剛度一般不影響橋梁設計方案，箱體寬度主要由箱體本身的受力情況決定。腹板間距設置的合理性直接影響梁部頂板腹板受力、鋼筋用量和板厚度。對4.1、4.6、5.1、5.6、6.1、6.6、7.1 m七種腹板間距對比，求解在恒載、恒載+活載荷載組合作用下，腹板間距對結構內力的影響。單箱單室簡支箱型梁內力比較位置示意見圖6，各位置不同腹板間距最大彎矩值見圖7。

圖6 單箱單室簡支箱型梁內力比較位置示意圖

圖7 各位置不同腹板間距最大彎矩值

由圖7可以看出，懸臂板端最大彎矩值隨腹板間距的增大逐漸減小，且變化較明顯；頂板端最大彎矩值隨腹板間距增大逐漸增大，變化較顯著；腹板頂最大彎矩值隨腹板間距的增大呈先減小后增大趨勢，且變化較明顯；腹板底最大彎矩值隨腹板間距增大逐漸增大，變化較緩慢；頂板跨中最大彎矩值隨腹板間距增大先減小后增大，變化趨勢較明顯；底板跨中最大彎矩值受腹板間距變化影響較小，腹板間距由4.1 m增加至7.1 m，底板跨中最大彎矩值基本不變。

當箱型梁腹板間距約為4.9 m時，懸臂板與頂板最大彎矩值相同，懸臂板與頂板所需橫向鋼筋數量基本相等，可在懸臂板、頂板配置橫向通長鋼筋，充分發(fā)揮鋼筋作用，經濟性最好。

2.2.3 梁高

單箱單室簡支箱型梁合理梁高主要由舒適性和經濟性控制，舒適性控制指標主要為撓跨比、梁端轉角等。以32 m單箱單室簡支箱型梁為例，從經濟性、舒適性、景觀等方面對梁高進行比選，梁高比選值為1.9～2.3 m，控制指標見表4，工程數量及費用見表5。

由表4、表5可知，滿足規(guī)范要求的32 m單箱單室簡支箱型經濟梁梁高為2.1 m和2.2 m，梁高2.0 m比梁高2.1 m的單箱單室簡支箱型梁僅貴422元/孔，因此32 m單箱單室簡支箱型梁可采用2.0、2.1、2.2 m梁高。鑒于梁高優(yōu)勢，推薦采用2.0 m梁高。

表4 32 m單箱單室簡支箱型梁控制指標

表5 32 m單箱單室簡支箱型梁工程數量及費用

2.2.4 梁跨

以某市域鐵路工程（線路長1 440 m）為例對鐵路常用32、36、40 m單箱單室簡支箱型梁對比分析。橋梁位于平原區(qū)；地層主要由淤泥質黏性土、黏性土、粉土、砂類土等構成，分布較穩(wěn)定，表層多分布人工填土；橋墩高度為2.5～12.5 m，平均橋墩高度為8.5 m。梁跨對比方案有4個，不同梁跨主要工程費用見表6。

方案1：45跨32 m簡支箱型梁單個承臺采用6根φ1.00 m的樁基。

方案2：40跨36 m簡支箱型梁單個承臺采用8根φ1.00 m的樁基。

方案3：40跨36 m簡支箱型梁單個承臺采用5根φ1.25 m的樁基。

方案4：36跨40 m簡支箱型梁單個承臺采用9根φ1.00 m的樁基。

由表6可知，滿足規(guī)范要求的4個方案中，方案3和方案4價格較接近，方案2價格最高，方案1價格最低。故軟土地區(qū)市域鐵路橋梁梁跨推薦采用方案1，即32 m梁跨作為標準梁跨。

表6 不同梁跨主要工程費用 萬元

3 市域鐵路橋梁墩型

大部分市域鐵路經過城市區(qū)域，其不同于城市輕軌、地鐵，也有別于長大干線的客運專線鐵路，要求結構緊湊、造型美觀、符合城市整體規(guī)劃?？傮w來說市域鐵路橋梁橋墩應具有足夠的剛度，重視橋墩景觀設計及附屬結構設計，使橋墩與周邊環(huán)境協(xié)調，突出體現(xiàn)時代風貌，滿足城市景觀需要。目前我國鐵路橋梁標準段橋墩主要采用流線形圓端實體橋墩和雙柱組合式橋墩；我國城市軌道交通橋梁標準段橋墩主要采用獨柱墩，橋墩造型較多，主要分兩類，一類針對整體箱型梁采用Y形墩，一類針對分體箱型梁和U型梁采用T形墩［5］。

3.1 墩型選擇

簡支箱型梁作為我國橋梁目前采用最廣泛的梁型，底板支座間距小、墩頂寬度小，推薦采用與之相配的獨柱、Y形、雙柱、T形、寶石頂帽矩形墩等［8］，采用時可結合墩身特點及城市景觀需求選擇。箱型梁墩型見圖8。

圖8 箱型梁墩型

U型梁的梁底與橋面寬度相當，過大的墩頂寬度決定其下部很難做成漸變式墩柱，下部結構選型及尺寸應與之相適應才能取得良好的景觀效果，因此國內外已建成的U型梁墩型均為頂帽式（見圖9）。

圖9 U型梁墩型

3.2 橋墩截面尺寸擬定原則

需按構造要求同時結合橋墩剛度、位移等擬定橋墩截面尺寸。設計橋墩時，需根據不同的地質情況，確定墩身彈性位移占總位移的合理比例，對于一般地質，單位力墩身位移占單位力總位移的40%～60%時，橋墩和基礎經濟性最優(yōu)，而且剛度容易滿足。另外，擬定橋墩截面尺寸時不能單純以剛度作為位移控制指標，在橋墩截面尺寸計算中，斷軌力、地震力等特殊荷載控制截面尺寸和配筋數量，截面尺寸擬定過小，會出現(xiàn)截面配筋困難，配筋過多會導致經濟性較差。

以時速160 km的32 m單箱單室簡支箱型梁橋墩為例，墩高10 m時截面尺寸為1.4 m×3.2 m（方案1），當墩高加大到12 m時墩頂截面尺寸加大到1.6 m×3.4 m，墩底截面尺寸加大到2.04 m×3.84 m（方案2）。假設墩高12 m時仍采用1.4 m×3.2 m截面尺寸（方案3），橋墩剛度滿足規(guī)范要求，但經濟性差，而且配筋多，施工受影響?？紤]斷軌力作用，各方案橋墩截面尺寸與配筋對比見表7，橋墩截面尺寸擬定需同時兼顧受力、美觀、經濟需求。

表7 各方案橋墩截面尺寸與配筋對比

4 結束語

我國市域鐵路橋梁設計規(guī)范、標準種類多，項目標準的選擇應結合其功能定位、綜合交通需求、自然條件及城市景觀的需求，以達到安全、適用、經濟、美觀、環(huán)保的設計原則。連續(xù)梁體系與簡支梁體系相比在力學性能上優(yōu)勢不突出，且施工質量及施工進度控制較難。橋梁位于基礎不均勻沉降敏感的區(qū)間時，推薦優(yōu)先采用簡支梁體系作為區(qū)間標準結構體系；橋梁位于景觀要求高、地質條件好的區(qū)間時，可采用連續(xù)梁體系或連續(xù)梁剛構體系。單箱單室簡支箱型梁具有整體剛度好、結構動力性能優(yōu)、造型簡潔、景觀效果突出、施工方便等優(yōu)點，建議市域鐵路橋梁優(yōu)先采用單箱單室簡支箱型梁，32 m梁跨作為標準梁跨，梁高采用2 m。采用單箱單室簡支箱型梁時推薦采用獨柱、Y形、雙柱、寶石頂帽矩形墩等墩型；橋梁采用U型梁時，推薦采用頂帽式墩型。