軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制
—上海城市軌道交通明珠線(xiàn)中山北路橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)

馮愛(ài)軍
(北京城建設(shè)計(jì)研究院)

摘要： 結(jié)合我院設(shè)計(jì)的上海城市軌道交通明珠線(xiàn)特殊大橋-中山北路橋（30m+55m+30m的三跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力與鋼結(jié)合梁橋），介紹和分析了軌道交通高架橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及特殊控制點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：軌道交通; 高架橋; 荷載; 變形控制; 徐變; 基礎(chǔ)沉降

一、前言
近年來(lái)，由于城市交通的發(fā)展，軌道交通以其運(yùn)量大、速度快而在國(guó)內(nèi)各個(gè)城市得到推廣，但地鐵系統(tǒng)造價(jià)高，建設(shè)周期長(zhǎng)，從而使得決策者和設(shè)計(jì)者越來(lái)越青睞高架線(xiàn)。沈陽(yáng)、武漢、上海、大連、佛山等城市相繼著手這方面的準(zhǔn)備工作，南京、北京等城市的地鐵也規(guī)劃有一段高架線(xiàn)路，廣州和上海規(guī)劃的軌道交通線(xiàn)路中也有多條高架線(xiàn)。但軌道交通高架橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在很多方面都不同于公路橋和鐵路橋，如受載方式、橋梁的變形允許范圍等均有它自身的特點(diǎn)。由于目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有軌道交通高架橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范，所以具體設(shè)計(jì)時(shí)還存在一些亟待解決的問(wèn)題?！吧虾３鞘熊壍澜煌髦榫€(xiàn)一期工程”為全高架線(xiàn)路，全長(zhǎng)約29kM，現(xiàn)土建已基本完工，筆者有幸參加了其中兩座大橋--中山北路橋和蘇州河橋的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多新問(wèn)題，借此總結(jié)如下，以便在今后的設(shè)計(jì)中借鑒。

二、軌道交通高架橋與公路橋和鐵路橋的不同
公路橋一般為多車(chē)道，受力為面載，多設(shè)溫度連續(xù)橋面。而軌道交通高架橋一般為雙線(xiàn)橋，在折返線(xiàn)及渡線(xiàn)段有部分多線(xiàn)橋及單線(xiàn)橋，梁軌共同作用，這一點(diǎn)同鐵路橋相同。但它處于城市地區(qū)，高架橋梁長(zhǎng)度多達(dá)數(shù)十公里，因此對(duì)景觀(guān)、環(huán)保及變形的要求均比鐵路橋嚴(yán)格。另一方面，由于上海城市軌道交通明珠線(xiàn)高架橋梁上部建筑采用無(wú)渣無(wú)枕道床，軌道采用無(wú)縫線(xiàn)路，所以其受力遠(yuǎn)較鐵路橋復(fù)雜，同時(shí)由于無(wú)渣軌道鋼軌扣件的調(diào)高量有限又限制了結(jié)構(gòu)的變形，根據(jù)鐵道部科學(xué)研究院提供科研報(bào)告，扣件的調(diào)高量?jī)H為40mm。即橋梁的所有變形（包括預(yù)應(yīng)力梁的收縮徐變和基礎(chǔ)的不均勻沉降等）均在此范圍內(nèi)。

三、軌道交通高架橋的特殊荷載及其組合
軌道交通高架橋的荷載除鐵路橋規(guī)規(guī)定的一般主力和附加力外，還有因橋上鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路所引起的縱向力。橋上鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路因溫度的變化、列車(chē)荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使梁軌之間產(chǎn)生相對(duì)位移，因扣件縱向阻力的作用，梁軌相對(duì)位移受到約束，因此梁軌間產(chǎn)生大小相等，方向相反的縱向力。如此，橋梁與鋼軌組成一個(gè)相互作用、相互約束的力學(xué)平衡體系，同時(shí)引起了幾個(gè)特殊力，分別為：
1.伸縮力：由溫度變化時(shí)梁與鋼軌有相對(duì)位移而引起的縱向作用力。其大小與溫度變化幅度、扣件縱向阻力和橋梁長(zhǎng)度有關(guān)。
2.撓曲力：列車(chē)在橋上等速運(yùn)行引起梁的撓曲，從而使梁面縱向纖維縮短產(chǎn)生與鋼軌的相對(duì)位移所引起的縱向梁軌相互作用力。其大小與列車(chē)荷載和扣件的縱向阻力有關(guān)。伸縮力和撓曲力的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

3. 斷軌力：因鋼軌折斷而產(chǎn)生的縱向力。
4. 制動(dòng)力：制動(dòng)力一般與列車(chē)撓曲力伴生。制動(dòng)力單獨(dú)作用只發(fā)生在列車(chē)作用跨的前方橋跨上，此時(shí)，列車(chē)尚未駛上前方橋跨，而制動(dòng)力已傳至前方橋跨。
上述各力如何作用，并將力傳至墩臺(tái)，在現(xiàn)行的橋上無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)辦法中依照下列原則組合：
伸縮力與撓曲力不疊加，選取較大者和制動(dòng)力疊加；
如斷軌時(shí)鋼軌產(chǎn)生的斷軌力大時(shí)，則按一股鋼軌斷軌，另一股鋼軌內(nèi)存在伸縮力或撓曲力計(jì)算；
?不論如何疊加，其最終作用力的量值不應(yīng)超過(guò)全橋扣件總阻力。
以上這些力作用在梁軌接觸面上，但對(duì)一般的橋梁上部結(jié)構(gòu)影響不大，驗(yàn)算墩臺(tái)時(shí)作用點(diǎn)移至支座中心處，設(shè)計(jì)時(shí)驗(yàn)算墩臺(tái)的荷載組合（針對(duì)雙線(xiàn)橋）可按以下幾種情況考慮：
四軌伸縮力或四軌撓曲力，取最大者按主力計(jì)算；
一軌斷軌力加兩軌伸縮力或撓曲力取其中較大者，按主力加附加力檢算，允許應(yīng)力提高45%；
一線(xiàn)制動(dòng)力，另一線(xiàn)的兩軌伸縮力或撓曲力取其中較大者，按主力加附加力檢算，允許應(yīng)力提高25%；
④縱橫向計(jì)算地震力，作為偶然荷載。

四、墩臺(tái)縱向水平力分配
軌道交通高架橋多處于城市地區(qū)，橋墩臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)力求線(xiàn)條簡(jiǎn)潔美觀(guān)，因此設(shè)計(jì)時(shí)不能完全按鐵路橋規(guī)剛性橋墩的概念，而應(yīng)考慮支座、橋墩及基礎(chǔ)的組合剛度，根據(jù)剛度分配一孔或一聯(lián)的縱向水平力。

五、軌道交通高架橋的變形控制
根據(jù)鐵道部科學(xué)研究院關(guān)于無(wú)渣軌道的研究報(bào)告，鋼軌扣件的調(diào)高量?jī)H為40mm，即在承軌臺(tái)打完之后，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的后期變形不能大于40mm，這部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形包括預(yù)應(yīng)力混凝土梁的收縮徐變變形和基礎(chǔ)的后期沉降。那么如何減小這兩方面的變形以滿(mǎn)足軌道結(jié)構(gòu)的要求是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要考慮的問(wèn)題。
（一）預(yù)應(yīng)力混凝土梁的收縮徐變變形控制
所謂混凝土的收縮即混凝土在硬化過(guò)程中，以及在干濕變化和溫度變化時(shí)所發(fā)生的體積變化。而混凝土的徐變是指混凝土在荷載長(zhǎng)期作用下保持應(yīng)力不變，則其塑性變形將隨著荷載作用時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為徐變。在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的收縮徐變將使構(gòu)件縮短，引起梁的上拱。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的徐變變形對(duì)無(wú)渣軌道的影響這一問(wèn)題的研究，在國(guó)內(nèi)橋梁界還是個(gè)空白，因此，明珠線(xiàn)籌建處專(zhuān)門(mén)成立課題組，對(duì)此進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，筆者作為課題組成員，通過(guò)這一段時(shí)間的摸索，覺(jué)得控制收縮徐變變形應(yīng)從設(shè)計(jì)和施工兩方面考慮：
1.設(shè)計(jì)：
⑴.適當(dāng)增加梁的剛度，減小彈性變形，從而減小了徐變變形的基數(shù)。
⑵.優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束布置，盡量使預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的偏心距與恒載作用下的彎矩平衡；
⑶.控制張拉應(yīng)力，以降低梁下翼緣的應(yīng)力水平；
⑷.選擇適宜的橋型，如連續(xù)梁的徐變上拱度比相同跨度的簡(jiǎn)支梁?。?BR>⑸.采用部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，允許混凝土出現(xiàn)拉力，但不能開(kāi)裂。
⑹.提高張拉時(shí)混凝土的齡期。
⑺.在滿(mǎn)足混凝土強(qiáng)度的前提下，盡可能的減少水泥用量。
⑻.設(shè)計(jì)時(shí)詳細(xì)計(jì)算各工程階段的收縮徐變變形量，預(yù)計(jì)一個(gè)月、三個(gè)月、六個(gè)月及最后的變形量。在梁體設(shè)計(jì)預(yù)拱度時(shí)考慮徐變變形的影響。
2.施工
⑴.降低水灰比，加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)，澆注時(shí)注意梁上翼緣的密實(shí)度；
⑵.梁澆筑完成之后，盡量延遲承軌臺(tái)開(kāi)始澆注的時(shí)間。
⑶.加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，將測(cè)量信息及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)。
（二）基礎(chǔ)變形的控制
上海地區(qū)屬軟土地區(qū)，橋梁基礎(chǔ)一般采用樁基礎(chǔ)。為控制基礎(chǔ)沉降，群樁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮以下三個(gè)因素，即適當(dāng)加深樁的長(zhǎng)度；增加樁的個(gè)數(shù)；樁的持力層應(yīng)盡可能選擇砂土層。

六、工程實(shí)例
以中山北路橋?yàn)槔?，說(shuō)明軌道交通高架橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。中山北路橋橋長(zhǎng)115m，為30m+55m+30m的三跨連續(xù)結(jié)合梁橋，兩邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中跨跨越道路中山北路高架橋，采用鋼與混凝土結(jié)合梁，施工時(shí)經(jīng)體系轉(zhuǎn)換為連續(xù)梁。
1.徐變控制
設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力束配置進(jìn)行了優(yōu)化，延長(zhǎng)了加載齡期，經(jīng)初步計(jì)算，架梁完成后各個(gè)階段的徐變變形值如下表：

徐變變形計(jì)算結(jié)果 表1