重慶跨座式單軌交通高架軌道梁橋設(shè)計

摘　要　重慶輕軌工程是我國第一條跨座式單軌交通系統(tǒng)。介紹了該跨座式單軌交通的技術(shù)標準,并對高架軌道梁橋的孔跨布置、軌道梁設(shè)計和制造工藝、墩柱設(shè)計形式以及相關(guān)技術(shù)作了闡述。
關(guān)鍵詞　獨軌鐵路,跨座式,軌道梁,輕軌交通橋梁設(shè)計
跨座式單軌交通具有噪音低、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、快速便捷、占地少、造價低、利于環(huán)境保護等優(yōu)點,是現(xiàn)代化城市快速軌道立體交通的一種新形式。但跨座式輕軌也有缺點,能耗大、運能小, 且無法與常規(guī)的地鐵、輕軌接軌。應(yīng)用跨座式單軌鐵路最多的國家是日本。1964 年,日本東京修建了從市中心到羽田機場的跨座式單軌鐵路,全線實現(xiàn)計算機集中高度控制。該線成為旅客出入羽田機場的重要通道。后來,日本又建了大阪線、北九州線等跨座式單軌鐵路。另外,法國、美國、澳大利亞和英國也都修建了自己的跨座式單軌鐵路。本文介紹的是我國第一條跨座式單軌交通 重慶輕軌。
1 　工程簡介
重慶是山城,為丘陵地理特點,故選擇噪聲低、爬坡能力強、轉(zhuǎn)變半徑小的跨座式單軌交通系統(tǒng), 這在我國尚屬首次。重慶市輕軌工程東起重慶市區(qū)商業(yè)中心較場口,西至大渡口區(qū)鋼鐵基地新山村,途經(jīng)臨江門、大溪溝、牛角沱、李子壩、大坪、楊家坪等地段,全線長17. 54 km ,共設(shè)17 座車站。全線分兩期建設(shè)實施,其中一期工程由較場口至大堰村長13. 98 km ,14 座車站,2 座變電站,6 座牽引變電站,一座車場,一座控制中心,初期配車84 輛,建設(shè)工期為4 年半。全線建成后可達到高峰小時運送3 萬人次的客運能力,初期年客運量1. 5 億人次,遠期年客運量3 億人次。線路分左右線雙向行駛。高架軌道梁橋貫穿全線,高架橋占83. 2 %。工程總投資45 億元左右,每公里造價約為2. 2 億元。于2000 年開工建設(shè),計劃2004 年6 月建成通車。
2 　主要技術(shù)標準
由于我國目前尚沒有跨座式單軌的設(shè)計規(guī)范和標準,針對重慶輕軌工程,借鑒日本規(guī)范《單軌構(gòu)造設(shè)計指南》,并參考我國公路、鐵路橋規(guī)、《地下鐵道設(shè)計規(guī)范》,結(jié)合重慶輕軌工程的具體特點,重慶市軌道交通總公司專門制定了詳細具體的設(shè)計技術(shù)要求和技術(shù)標準。
(1) 線路性質(zhì):城市快速軌道交通線,正線數(shù)目為雙線。
(2) 行車速度:列車最高運行速度80 km/ h ,曲線段根據(jù)曲線半徑限速行駛。
(3) 設(shè)計荷載軸重:110 kN (車輛設(shè)計荷載圖示見圖1)
(4) 平曲線最小半徑:正線100 m ,車站300 m , 車輛段及道岔附帶曲線50 m。
(5) 縱斷面最大坡度:正線6 % ,地下車站5 % , 高架車站0 %。
(6) 曲線超高:正線圓曲線上設(shè)不大于12 %的超高率,允許欠超高率5 % ,允許過超高率3 % ,超高過渡在緩和曲線范圍內(nèi)完成。
(7) 橋下凈空:跨越城市一般路段不小于5. 2 m ,大件路段一般不小于7 m。
(8) 雙線線間距:直線段3. 7 m ,曲線段根據(jù)曲線半徑及行車速度計算進行加寬。
(9) 建筑限界:區(qū)間直線段單線建筑限界寬度3. 87 m , 軌頂面以上4. 0 m ; 雙線橋梁限界寬度為7. 57 m , 高度為軌頂面以上4. 0 m 。
(10) 標準軌道形式:采用預(yù)制鋼筋混凝土軌道梁,斷面尺寸為1. 5 m(高) ×0. 85 m(寬)
(11) 標準預(yù)制PC 軌道梁跨度:平面曲線半徑大于700 m 時采用22 m 跨;平面曲線半徑小于等于700 m 時采用20 m 跨。
(12) 支座及伸縮縫:采用特殊設(shè)計的跨座式單軌專用鑄鋼拉力支座和指形板伸縮縫。

圖1 　跨座式單軌車輛設(shè)計荷載圖示
3 　軌道梁設(shè)計與制造
3. 1 　軌道梁設(shè)計
PC 軌道梁既是承載的梁,又是輕軌列車運行的軌道;既要滿足結(jié)構(gòu)承載要求,又要在制造和架設(shè)過程中按照線路設(shè)計要求形成軌道線形。軌道梁作為輕軌車輛的走行軌道,直接關(guān)系到列車運行時的安全及平穩(wěn),因此對其設(shè)計精度及制造精度要求非常高。軌道梁的設(shè)計必須要確保軌道的整體線型要求以及較高的結(jié)構(gòu)強度、剛度、豎向撓度、橫向抗扭轉(zhuǎn)變形要求。另外,軌道梁的設(shè)計不僅要考慮牽引供變電、接觸網(wǎng)、通信信號控制、避雷器、自動監(jiān)控、綜合接地等電氣設(shè)施裝置的要求,同時要考慮敷設(shè)于軌道梁體上的電纜、內(nèi)部管道等附屬物的接口安裝和維護條件,以及支座、伸縮縫等的安裝。各種復(fù)雜的接口關(guān)系和高精度要求導(dǎo)致了設(shè)計的高難度。
標準跨度軌道采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(PC 梁),其跨中的標準斷面尺寸(見圖2) 設(shè)為1. 5 m(高) ×0. 85 m(寬) 。兩片軌道梁之間的梁縫寬度采用30 mm , 梁縫中心至支座中心的距離采用400 mm 。兩片梁縫之間通過安裝指形板進行連接,以滿足伸縮要求。標準預(yù)制軌道梁均采用跨座式輕軌專用PC 軌道梁鑄鋼支座,按使用要求并兼顧標準化生產(chǎn),分別按曲線半徑100 m 、500 m 及直線共分3 種類型。各類支座均有固定支座和活動支座之分。軌道梁在兩側(cè)中部設(shè)有剛性滑觸式導(dǎo)電軌,在梁內(nèi)兩頂角處設(shè)有信號系統(tǒng)ARP/ TD 感應(yīng)環(huán)線,梁體底部設(shè)有供電和通信、信號系統(tǒng)電纜托架,梁下托架在橋墩處設(shè)支架繞過支座。

圖2 　標準軌道梁跨中斷面(單位:mm)
根據(jù)軌道梁具體結(jié)構(gòu)尺寸進行結(jié)構(gòu)計算分析, 按分析數(shù)據(jù)進行體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束配置。鑒于軌道梁構(gòu)造及受力模式的特殊性,梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力宜采用小孔鋼束。標準跨度的軌道梁體內(nèi)共設(shè)10～12 束3 -7Φ5 和4 -7Φ5 兩種類型的預(yù)應(yīng)力鋼絞性,用內(nèi)徑Φ50 的波紋管成孔,采用AM 或HVN 系列錨具錨固。預(yù)應(yīng)力鋼絞線標準強度為1 860 MPa , 錨外張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa 。為減少混凝土收縮徐變對軌道梁的影響,鋼束共分兩次張拉,第一次張拉4 束,第二次張拉其余鋼束。設(shè)計時按第4 天第一次張拉,第14 天第二次張拉,第104 天架設(shè)軌道梁,計算梁體變形。軌道梁內(nèi)普通鋼筋均采用Ⅱ 級鋼筋,主筋和箍筋采用Φ16 , 輔助筋采用Φ12 。梁體混凝土采用C 60 號,梁端采用無收縮混凝土封錨。
預(yù)應(yīng)力計算相關(guān)參數(shù)取值如下:
(1) 混凝土彈性模量初張拉時為34. 5 GPa , 終張拉時為37. 5 GPa ;
(2) 錨口損失按張拉應(yīng)力的7 % 計算;
(3) 鋼束與管道壁之間摩擦系數(shù)為0. 26 , 管道偏差系數(shù)為0. 003 ;
(4) 收縮徐變終極值為2. 368(τ= 4), 2. 116 (τ = 14), 1. 544 (τ= 104);
(5) 收縮應(yīng)變終極值為2. 2 ×10-4;
(6) 設(shè)計溫度為18 ℃ 。

軌道梁允許的動荷載(不包括沖擊荷載) 最大豎向撓度不應(yīng)大于計算跨度的1/ 600 。軌道梁預(yù)制時設(shè)置反拱度。反拱度的大小是把靜荷載產(chǎn)生的撓度與動荷載產(chǎn)生撓度的1/ 2 相加,并考慮預(yù)應(yīng)力、干燥收縮及徐變的影響來計算。
3. 2 　軌道梁制造和架設(shè)
由于線路縱坡、平面曲線、豎曲線、橫向曲線超高的影響,幾乎每一片軌道梁的線形都不相同。為保證軌道梁的整體線形高精度要求和確保PC 軌道梁的質(zhì)量,除車輛段基地現(xiàn)澆RC 梁外,軌道梁一般為工廠預(yù)制。采用能適應(yīng)各種平、豎曲線的可調(diào)活動模板制梁,經(jīng)過嚴格的養(yǎng)護和質(zhì)量管理。
由于影響PC 軌道梁變形的因素很多,預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土收縮徐變等均會引起的梁體外形偏差。為控制軌道梁的制造精度,每一片梁都必須編制《PC 軌道梁作工法指導(dǎo)書》作為制梁的依據(jù)。制作工法指導(dǎo)書是在PC 軌道梁施工圖、線形構(gòu)造圖、預(yù)埋件布置圖的基礎(chǔ)上,結(jié)合制梁模板編制的, 用來控制PC 軌道梁初始形狀的技術(shù)文件。其內(nèi)容包括:設(shè)計條件、活動制梁模板千斤頂壓拉量、反拱度設(shè)置、端模的傾斜角和轉(zhuǎn)角、端模和支座的平面位置關(guān)系、軌道梁制作時的弧長和弦長、相關(guān)的略圖、鋼筋布置方式、預(yù)應(yīng)力鋼束布置、中模反拱度設(shè)置、施工檢測數(shù)據(jù)設(shè)計值等。其中變形控制設(shè)計的相關(guān)參數(shù)按規(guī)范及觀測梁的觀測結(jié)果取值。
PC 軌道梁的預(yù)制工藝流程控制非常嚴格,包括制梁臺車、內(nèi)外模板安裝、線型調(diào)整、預(yù)應(yīng)力管道安裝、預(yù)埋電纜管道、支座預(yù)埋件安裝、混凝土澆注、梁體養(yǎng)護、預(yù)應(yīng)力張拉、梁體檢測等步驟。對每一步驟的制作安裝精度都作有詳細的規(guī)定,技術(shù)難度很高、工藝復(fù)雜。
PC 軌道梁的預(yù)制精度要求:長度±10 mm , 寬度±2 mm(端部) 、±4 mm(中間) 。預(yù)制軌道梁采用特殊研制的跨座式單軌專用PC 軌道梁架橋機進行單線架設(shè);在墩高較小的特殊地段也可采用大噸位汽車運輸?shù)侥康牡?然后以汽車吊起吊架設(shè)。
4 　橋跨布置及墩柱、基礎(chǔ)設(shè)計
4. 1 　橋跨布置
高架橋孔跨布置應(yīng)符合城市總體規(guī)劃,考慮水文、地形、地質(zhì)、周圍景觀等條件,以及對鄰近建筑、公用設(shè)施、道路、地下管線及構(gòu)筑物的影響來確定。考慮到軌道梁使用功能的特殊性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 軌道梁需設(shè)計標準化、制造工廠化、施工機械化,并從城市整體的景觀角度出發(fā),其橋型結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先采用標準跨度的預(yù)制PC 簡支梁布置方案。當(dāng)線路平面曲線半徑大于700 m 時采用22 m 標準跨度; 當(dāng)平面曲線半徑小于或等于700 m 時采用20 m 標準跨度;當(dāng)受其它條件制約時才可采用非標準跨度。非標準跨度簡支梁必須大于6 m 、小于25 m 。標準跨和非標準跨度的PC 軌道梁均采用統(tǒng)一的標準斷面尺寸。當(dāng)采用大于25 m 的大跨軌道梁時,須經(jīng)特殊設(shè)計。
在受地形地質(zhì)、立體景觀、城市道路立交等條件的制約時,可根據(jù)具體情況采用大跨度高架橋。大跨結(jié)構(gòu)可采用主梁之上疊合標準軌道梁或兩者結(jié)合成整體受力的方式,也可采用大跨度鋼制軌道梁。大跨結(jié)構(gòu)可以選擇PC 箱梁、PC 連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、V 形撐、T 構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式。在重慶輕軌工程的實際設(shè)計中,根據(jù)實際情況,特殊地段分別采用了V 形撐、連續(xù)剛構(gòu)、T 構(gòu)、倒T 梁等大跨高架結(jié)構(gòu)形式。
4. 2 　墩柱及基礎(chǔ)設(shè)計
輕軌穿越于城市中,大部分墩柱位于道路的中央分隔帶上,對墩柱的整體景觀要求較高。一般普通墩柱應(yīng)優(yōu)先采用鋼筋混凝土T 形獨柱式矩形或方形橋墩,特殊受地形限制地段可采倒L 形墩和門式剛架墩等形式,地面之上墩柱均應(yīng)加設(shè)圓弧形倒角。墩柱結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性,以及構(gòu)造要求、裂縫計算寬度、配筋率等均應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)要求。針對跨座式輕軌交通的結(jié)構(gòu)特點,一般應(yīng)遵循以下設(shè)計原則:
(1) 墩柱一般采用矩形(包含方形) 帶圓倒角形式,截面邊長以10 cm 進級,墩身最小配筋率為0. 6 % , 最大配筋率一般不超過2. 5 % 。
(2) 墩頂位移一般情況小于或等于5 ( L —梁跨長度,m) ,個別對景觀要求高及其它特殊地段可按不大于40 mm 控制。
(3) 橋墩基礎(chǔ)根據(jù)地層情況可選用矩形或圓形挖孔樁、鉆孔樁、明挖擴大等基礎(chǔ)形式。樁身配筋率控制在0. 4 %～2 %以內(nèi),嵌巖樁的深度應(yīng)滿足受力要求。
(4) 為了保證混凝土的耐久性,橋墩基礎(chǔ)一般采用C30 混凝土,墩柱身采用C35 混凝土,蓋梁采用C40 混凝土,預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)采用C50 混凝土。墩柱及蓋梁主筋凈保護層一般采用5 cm ,柱基主筋凈保護層采用7 cm。
(5) 跨越道路而采用門式墩時,設(shè)計軸線優(yōu)先考慮順道路法線方向。
重慶跨座式單軌交通線中采用的典型墩柱形式有下面的幾種:
(1) T 形獨柱墩 這是重慶輕軌工程中應(yīng)用最多的墩柱形式。應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果和各項控制標準確定墩柱截面尺寸,同時根據(jù)上部軌道梁支座的構(gòu)造尺寸及預(yù)埋件構(gòu)造要求確定蓋梁的構(gòu)造尺寸。一般墩高小于1. 5 m 位于半徑大于等于1 000 m 曲線及直線上的橋墩采用1. 6 m ×1. 6 m 方形截面,位于半徑小于1 000 m 曲線的橋墩采用1. 7 m ×1. 7 m 方形截面,墩高15～25 m 時采用1. 8 m ×1. 8 m～2. 2 m ×2. 2 m 方形截面,蓋梁高度均采用1. 4 m。見圖3。
(2) 倒L 形獨柱墩— 由于受平面位置限制, 當(dāng)線路中心與墩柱中心有偏距且偏距較小時,設(shè)置倒L 形獨柱墩。其墩柱與線路中心線的偏心距離為0. 5～1. 2 m。墩身截面尺寸根據(jù)墩高計算確定,蓋梁高度一般采用1. 7 m。見圖4。

圖3 　T 形獨柱墩
　　(3) 大偏心預(yù)應(yīng)力拉桿式倒L 形墩 為避免輕軌線路在跨越較窄道路時設(shè)置門式剛架墩,可在道路兩側(cè)采用大偏心預(yù)應(yīng)力拉桿式倒L 形墩。橋墩最大凈偏心距離為2. 75 m。蓋梁和拉桿均加設(shè)預(yù)應(yīng)力,墩柱采用2. 2 m ×1. 5 m 矩形截面,拉桿采用2. 2 m ×0. 8 m 矩形截面,蓋梁高度采用2. 0 m。見圖5。

(4) 門式剛架墩
當(dāng)輕軌線路跨越較寬的城市道路又不能在道路中間設(shè)置橋墩時,可設(shè)置門式剛架墩。剛架跨度在15 m 以下時可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),剛架跨度大于15 m 時可采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。見圖6。
墩柱設(shè)計時除了要考慮本身的構(gòu)造外,還要考慮其它附屬結(jié)構(gòu)物的設(shè)計,如墩柱內(nèi)避雷器系統(tǒng)預(yù)埋管道及信號接地極的安裝、PVC 排水管道,廣告燈箱電線預(yù)埋管、饋線上網(wǎng)裝置預(yù)埋件等。蓋梁內(nèi)則需要考慮支座錨箱及固定支架的安裝、支座錨箱排水管道安裝、通信信號系統(tǒng)預(yù)埋件、供電環(huán)網(wǎng)電纜預(yù)埋件、避雷器預(yù)埋件等。

圖5 　大偏心預(yù)應(yīng)力拉桿式倒L 形墩
5 　結(jié)語
跨座式單軌技術(shù)復(fù)雜,對高架軌道梁橋的設(shè)計和施工精度要求都很高,結(jié)構(gòu)設(shè)計需要很多控制點的精確平面座標、高程及方位角來保證精度,因此應(yīng)該充分認識到設(shè)計的復(fù)雜性。另外,高架軌道梁圖4 　倒L 形獨柱墩橋的設(shè)計與線路、排水、照明、牽引供變電、通信各
專業(yè)接口關(guān)系也較為復(fù)雜,需要全面統(tǒng)籌考慮。

圖6 　門式剛架墩

參　考　文　獻
1 　張波,孫章. 大力發(fā)展現(xiàn)代化輕軌交通. 城市軌道交通研究,2001 , (4) :51
2 　鐵道第一勘察設(shè)計院. 重慶輕軌較新線一期工程施工圖設(shè)計. 2001
3 　王根芳. 關(guān)于重慶市軌道交通規(guī)劃和近期重點建設(shè)項目的研考. 重慶建設(shè),2002 , (12)