王法武

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(tuán)及城鎮(zhèn)組團(tuán)之間的快速度、大運(yùn)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(dú)立運(yùn)營(yíng)，重要節(jié)點(diǎn)宜與國(guó)鐵線路互聯(lián)互通，具備貫通運(yùn)營(yíng)條件。上海市域鐵路最高設(shè)計(jì)速度200 km/h，采用單相工頻交流25 kV牽引供電制式，僅運(yùn)行動(dòng)車組列車，正線采用雙塊式無(wú)砟軌道。本文對(duì)上海市域鐵路橋梁關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，為今后市域鐵路橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

2 列車設(shè)計(jì)活載

我國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)荷載圖式是采用概化的包絡(luò)圖式，列車活載制定的總體原則是“設(shè)計(jì)荷載圖式靜效應(yīng)×設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)＞運(yùn)營(yíng)車輛靜效應(yīng)×運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)”[1，2]。

我國(guó)高速鐵路（新建設(shè)計(jì)時(shí)速250～350 km/h的客運(yùn)專線）列車設(shè)計(jì)活載采用ZK活載[6]。

ZK活載制定時(shí)兼顧考慮以下列車荷載：（1）高速列車：德國(guó)ICE列車、法國(guó)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(jī)+C62貨車和DF4+C62貨車；（4）養(yǎng)路機(jī)械荷載[1]。因此上海市域鐵路橋梁如采用ZK活載會(huì)有較大富裕量，不夠合理經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)2011年組織開(kāi)展的“時(shí)速250 km以下客運(yùn)專線鐵路（城際鐵路）設(shè)計(jì)活載及橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究”結(jié)論，時(shí)速200 km及以下、不開(kāi)行機(jī)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(jiàn)圖1。

圖1ZC活載圖式

由中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)發(fā)布的鐵道行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》T/CRS C0101-2017中提出ZS活載圖式。ZS活載圖式適用于設(shè)計(jì)速度不大于160 km/h、僅運(yùn)行動(dòng)車組的客運(yùn)專線鐵路，ZS活載圖式見(jiàn)圖 2[4，9]。

圖2 ZS活載圖式

以下是ZC活載與ZS活載的對(duì)比分析。

以跨度32 m雙線簡(jiǎn)支箱梁為例，采用ZC活載時(shí)，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(shí)，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%。可見(jiàn)列車活載占比較小。

對(duì)于設(shè)計(jì)速度160 km/h的市域鐵路，采用ZC活載和ZS活載的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析如下：上海地區(qū)為軟土地質(zhì)，樁基為摩擦樁，樁基由沉降控制。橋墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(wú)差異。不同活載圖式主要影響上部結(jié)構(gòu)工程量。以跨度32 m雙線簡(jiǎn)支箱梁為例，采用ZC活載設(shè)計(jì)時(shí)，一孔梁配置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量為9.1 t；采用ZS荷載時(shí)，一孔梁配置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量為8.3 t，兩者相差9.7%。一孔32 m雙線簡(jiǎn)支箱梁上部結(jié)構(gòu)造價(jià)87萬(wàn)，上部和下部結(jié)構(gòu)總造價(jià)256萬(wàn)。增加的鋼絞線費(fèi)用占上部結(jié)構(gòu)造價(jià)的0.7%，占上、下部總造價(jià)的0.25%。

綜上，對(duì)于剛度及沉降控制要求嚴(yán)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(duì)工程經(jīng)濟(jì)性影響不明顯。

根據(jù)上海市域鐵路的功能定位，僅運(yùn)行最高設(shè)計(jì)速度200 km/h及以下動(dòng)車組，重要節(jié)點(diǎn)與國(guó)鐵互聯(lián)互通，具備貫通運(yùn)營(yíng)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(jié)構(gòu)形式

客運(yùn)專線和城市軌道交通橋梁一般采用箱梁，個(gè)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(jiǎn)潔、美觀、便于施工，U梁能適當(dāng)降低線路縱斷面且具有一定的降噪功能，T梁經(jīng)濟(jì)性較好且施工方便。

考慮城市景觀要求和預(yù)留聲屏障基礎(chǔ)預(yù)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(duì)于線路平面的適應(yīng)性好。

4 橋墩結(jié)構(gòu)形式

鐵路橋梁一般采用圓端型實(shí)體橋墩，橋墩按素混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7]，配置護(hù)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(cè)敷設(shè)，空間狹小，對(duì)橋梁景觀要求高，橋墩設(shè)計(jì)力求纖細(xì)、美觀，借鑒城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，市域鐵路橋墩采用矩形花瓶式橋墩，按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5 抗震設(shè)計(jì)

市域鐵路橋梁抗震分析按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50111的規(guī)定執(zhí)行。橋墩抗震設(shè)計(jì)時(shí)，蓋梁、節(jié)點(diǎn)及基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件，并按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)。

6 橋墩縱向水平線剛度

市域鐵路采用跨區(qū)間無(wú)縫線路，為保證橋上無(wú)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(dòng)等產(chǎn)生的鋼軌附加應(yīng)力。現(xiàn)有大量實(shí)驗(yàn)研究成果表明：列車制動(dòng)作用下，橋梁墩臺(tái)頂縱向制動(dòng)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(tái)頂縱向水平線剛度及相鄰墩臺(tái)頂剛度匹配所決定。因此墩臺(tái)合理的縱向線剛度限值是橋梁及橋上線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2013）規(guī)定：橋墩線剛度限值應(yīng)根據(jù)工程條件及扣件阻力經(jīng)鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力、溫度應(yīng)力、制動(dòng)應(yīng)力和制動(dòng)附加力的計(jì)算確定。不作計(jì)算時(shí)，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(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10623—2014）規(guī)定：混凝土簡(jiǎn)支梁橋墩頂部水平線剛度應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。

7 豎向自振頻率

豎向自振頻率反映了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。對(duì)于市域鐵路橋梁，由于其列車荷載會(huì)產(chǎn)生頻率較高的激振荷載，當(dāng)激振頻率和結(jié)構(gòu)自振頻率接近時(shí)，產(chǎn)生較大振動(dòng)。所以設(shè)計(jì)要對(duì)頻率限值作規(guī)定，目的是使設(shè)計(jì)的橋梁自振頻率盡量避開(kāi)激振頻率，橋梁不要產(chǎn)生較大振動(dòng)。

市域鐵路對(duì)簡(jiǎn)支梁豎向自振頻率限值的規(guī)定與城際鐵路相同。

8 結(jié)構(gòu)變形

市域鐵路橋梁對(duì)結(jié)構(gòu)變形的控制體現(xiàn)在對(duì)梁體撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角、梁體殘余徐變變形、墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降等方面，具體限值要求同《城際鐵路設(shè)計(jì)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(dāng)然也保證行車的安全性以及減小對(duì)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(zhuǎn)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(yùn)營(yíng)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(zhǎng)度愈長(zhǎng)，上拔力也愈大。

對(duì)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(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值主要是為滿足列車運(yùn)行安全和舒適要求。

9 施 工

市域鐵路對(duì)橋梁施工提出較高要求，應(yīng)優(yōu)先考慮預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)。橋梁上部結(jié)構(gòu)可以采用整孔預(yù)制架設(shè)、節(jié)段預(yù)制拼裝施工工法。整孔預(yù)制架設(shè)梁場(chǎng)占地面積大，對(duì)運(yùn)架要求高；節(jié)段預(yù)制拼裝梁場(chǎng)占地小，對(duì)運(yùn)架設(shè)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(yù)制拼裝施工經(jīng)驗(yàn)，可采用預(yù)制拼裝施工。

樁基根據(jù)具體場(chǎng)地條件可采用鉆孔樁、高頻免共振鋼管樁、PHC預(yù)制管樁。城市中心城區(qū)對(duì)環(huán)境保護(hù)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(yù)制管樁或鉆孔樁。

10 結(jié) 語(yǔ)

（1）上海市域鐵路最高設(shè)計(jì)速度200 km/h，重要節(jié)點(diǎn)宜與國(guó)鐵線路互聯(lián)互通，車輛采用和諧號(hào)CRH6型城際動(dòng)車組。橋梁列車設(shè)計(jì)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(yù)留聲屏障基礎(chǔ)預(yù)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(duì)于線路平面的適應(yīng)性好。

（3）借鑒城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，市域鐵路橋墩采用花瓶式橋墩，按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。橋墩抗震設(shè)計(jì)時(shí)，蓋梁、節(jié)點(diǎn)及基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件，并按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)。

（4）考慮市域鐵路運(yùn)營(yíng)安全性和舒適性要求，對(duì)簡(jiǎn)支梁豎向自振頻率、梁體撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角、梁體殘余徐變變形、墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降等應(yīng)控制，具體限值標(biāo)準(zhǔn)與《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》相同。

（5）秉承綠色施工理念，城市環(huán)境對(duì)市域鐵路橋梁施工提出較高要求，應(yīng)優(yōu)先考慮采用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)。