摘要：預(yù)制U梁作為一種下承式預(yù)應(yīng)力混凝土開口薄壁構(gòu)件，目前正逐漸成為軌道交通高架橋一種重要的結(jié)構(gòu)形式。通過研究軌道交通預(yù)制U梁在鄭州軌道交通高架橋中的應(yīng)用實(shí)踐，并歸納其環(huán)境適應(yīng)性、設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，表明預(yù)制U梁的設(shè)計(jì)施工技術(shù)并使其更好地應(yīng)用到軌道交通高架橋中具有重要的意義，也為其他工程的設(shè)計(jì)及施工起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：軌道交通高架橋;預(yù)制U梁;開口薄壁構(gòu)件

Application of prefabricated U-beam in Zhengzhou Urban Rail Transit Viaduct

Jun-Qing Zhu*

Beijing Urban Construction & Development Group Co.， Limited.， Beijing 100037， China

Abstract： As a kind of through pre-stressed concrete open thin-walled component， prefabricated U-beam is gradually becoming an important structural form of rail transit viaduct. By studying the application practice of prefabricated U-beam in Zhengzhou rail transit viaduct and summarizing its environmental adaptability， design and construction points， and structural stress characteristics， it shows that the design and construction technology of prefabricated U-beam. The better application of prefabricated U-beam to the rail transit viaduct is of great significance and also plays a certain reference role for the design and construction of other projects.

Keywords： Rail transit viaduct; prefabricated U-beam; open thin-walled component

一、前言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，軌道交通高架橋的結(jié)構(gòu)形式也日益豐富。隨著U型梁在國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)實(shí)踐，目前正逐漸成為城市軌道交通高架橋的一種重要梁型。U型梁作為一種下承式預(yù)應(yīng)力混凝土空間開口薄壁結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的上承式結(jié)構(gòu)有不同的特點(diǎn)，其中在使用功能、建筑景觀、降噪等方面與其他梁型相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，目前在國(guó)內(nèi)外正逐漸得到推廣和應(yīng)用，本文以預(yù)制U梁在鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，表明研究U型梁的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)并使其更好地應(yīng)用其他到軌道交通高架橋中具有重要的意義，同時(shí)也為發(fā)展環(huán)境友好型高架線積累一些設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。

二、U梁國(guó)內(nèi)外應(yīng)用概況

國(guó)外最早的預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁是1952年英國(guó)建造的羅什爾汗橋，此后日本、西德、澳大利亞相繼在鐵路橋梁中應(yīng)用[1]。1980年后我國(guó)鐵路在北京等地成功采用20至40 m跨不等的簡(jiǎn)支和連續(xù)槽型梁和50 m跨的剛性斜拉索槽型梁[2]。根據(jù)城市軌道交通環(huán)境景觀要求、荷載特點(diǎn)，薄壁開口構(gòu)件的理論研究及應(yīng)用[3]，U型梁在槽型梁的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，截面尺寸更小，經(jīng)過大量的設(shè)計(jì)、實(shí)踐和試驗(yàn)研究，逐漸形成了具有城市軌道交通特色的U型梁結(jié)構(gòu)[4]。

（一）國(guó)外應(yīng)用概況

國(guó)外軌道交通U型梁系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例很多，如智利的圣地亞哥地鐵、荷蘭鹿特丹地鐵延伸線、印度新德里3號(hào)線和迪拜軌道交通系統(tǒng)[5]采用了U型梁。

（二）國(guó)內(nèi)應(yīng)用概況

國(guó)內(nèi)的軌道交通U型梁近年來也不斷發(fā)展，目前已運(yùn)營(yíng)和在建的軌道交通項(xiàng)目有上海八號(hào)線、南京地鐵二號(hào)線東延線和東延線延伸段、上海十一號(hào)線、重慶軌道交通一號(hào)線（沙大段）、上海十七號(hào)線、南京機(jī)場(chǎng)線、青島-海陽(yáng)城際（藍(lán)色硅谷段）軌道交通工程、鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程、長(zhǎng)春北湖線等設(shè)計(jì)均采用了U梁，據(jù)目前統(tǒng)計(jì)采用U梁的線路長(zhǎng)度約達(dá)147公里。

三、預(yù)制U梁環(huán)境適應(yīng)性分析

鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程，線路全長(zhǎng)41.15 km，其中高架線長(zhǎng)約16 km，其余為地下線和過渡段，全線共設(shè)車站18座，其中高架車站7座。本工程高架線沿107國(guó)道、泰山路和華南城大道敷設(shè)，是鄭州市軌道交通第一條采用高架敷設(shè)方式的線路。該高架線路穿越了龍湖組團(tuán)、華南城組團(tuán)，龍湖鎮(zhèn)重在文化教育、居住和旅游休閑度假，華南城重在商貿(mào)物流，是該區(qū)域重要的人文和商業(yè)連廊。通過以下對(duì)本工程高架線路敷設(shè)方式的研究，并結(jié)合鄭州的人文、歷史、城市規(guī)劃，以及本工程的周邊環(huán)境等因素，推薦采用城市軌道交通高架U型梁系統(tǒng)，能很好的實(shí)現(xiàn)安全、耐久、節(jié)能、環(huán)保、環(huán)境友好型工程。

（一）107國(guó)道和泰山路段

高架線路沿龍湖鎮(zhèn)內(nèi)的老107國(guó)道路東側(cè)、泰山路路中走向，根據(jù)新鄭市總體規(guī)劃，龍湖鎮(zhèn)的發(fā)展方向?yàn)槲幕逃?、休閑度假和高科技工業(yè)。將生態(tài)觀念融入規(guī)劃，充分考慮生態(tài)環(huán)境，考慮人、建筑、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃后的龍湖鎮(zhèn)東部為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，中部鎮(zhèn)區(qū)為綜合經(jīng)濟(jì)區(qū)，西部為工礦建材、林果區(qū)。

（二）華南城高架段

經(jīng)華南城西站后，高架線路沿華南城大道路中走向，規(guī)劃實(shí)現(xiàn)后的華南城將成為集商貿(mào)交易、物流集散、展示推廣、信息交流、創(chuàng)新促進(jìn)、產(chǎn)業(yè)培育、特色旅游、城市化綜合配套等八大功能于一體的超大規(guī)模現(xiàn)代綜合商貿(mào)物流城，是一座現(xiàn)代化的新城。

總之，本工程高架線經(jīng)過107國(guó)道、泰山路和華南城大道，是典型的城市道路高架線，工程的整體景觀要求高，本工程推薦采用城市軌道交通高架U型梁系統(tǒng)。U型梁利用外腹板折線造型反射光線，減小了梁體的視覺體量，形成橋梁整體纖細(xì)挺拔的視覺效果;同時(shí)U型梁的外腹板結(jié)構(gòu)可阻隔輪軌噪音，大大減少聲屏障的用量，能較好的與城市周邊環(huán)境相適應(yīng)，并融于優(yōu)美的現(xiàn)代城市和生態(tài)環(huán)境當(dāng)中。

四、預(yù)制U梁功能特點(diǎn)分析

本工程為鄭州市軌道交通第一條具有高架敷設(shè)方式的線，高架段的橋梁應(yīng)該在總結(jié)和借鑒以往高架橋梁工程的基礎(chǔ)上，為充分體現(xiàn)高架橋的優(yōu)勢(shì)，選擇什么樣的高架結(jié)構(gòu)形式對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型工程意義重大，推薦采用U型梁系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）建筑高度低

作為下承式結(jié)構(gòu)相比上承式結(jié)構(gòu)，有利于上跨、下穿城市道路橋梁，優(yōu)化線路縱斷面和車輛運(yùn)行條件，降低運(yùn)營(yíng)成本[6]。

（二）降噪效果好

對(duì)比常規(guī)結(jié)構(gòu)，U梁腹板結(jié)構(gòu)具有阻隔輪軌噪音的作用;U梁沒有列車震動(dòng)引起的箱梁體內(nèi)的混響噪音;本工程利用腹板內(nèi)側(cè)貼吸聲材料，可以進(jìn)一步提高降噪效果[3]。

（三）景觀效果好

U梁不但本身梁體外型優(yōu)美，而且主梁上翼緣和腹板遮擋了外觀較差的橋面系及車輛走行系統(tǒng)，只露出整潔、美觀的上部車體。

（四）經(jīng)濟(jì)性好

U梁對(duì)比同樣跨度的箱梁截面尺寸小，混凝土用量少，自重及二期荷載輕，可節(jié)約土建造價(jià);U型梁大幅度降低了高架線環(huán)保工程造價(jià)和全壽命周期運(yùn)營(yíng)成本，減少城市污染，降低噪聲、改善景觀，直接或間接經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（五）功能性好

U梁結(jié)構(gòu)受力架構(gòu)本身就是行車和設(shè)備的功能架，結(jié)構(gòu)受力需要的主梁上翼緣可兼做檢修及旅客緊急疏散通道，下部空間可布置管線，使得U梁綜合功能性提高。

（六）行車安全

兩側(cè)腹板可防止脫軌車輛傾覆下落，給行車安全提供了可靠的保證，且舒適性、平穩(wěn)性和安全性均滿足規(guī)范要求。

（七）工法多樣性

采用梁場(chǎng)預(yù)制，運(yùn)架一體施工，與現(xiàn)澆工法相比具有造價(jià)低、有效降低對(duì)道路交通及環(huán)境影響，減小后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，節(jié)省全壽命造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。

五、預(yù)制U梁設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

軌道交通高架橋作為城市地面的永久性建筑，其結(jié)構(gòu)造型、橋面設(shè)備布置方案是否能與城市環(huán)境融為一體，使其成為適應(yīng)城市景觀的建筑，實(shí)現(xiàn)安全、耐久、節(jié)能、環(huán)保、環(huán)境友好型工程，是本工程U梁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究的關(guān)鍵，也是要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（一）外型研究

全線高架橋梁結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量統(tǒng)一，協(xié)調(diào)高架結(jié)構(gòu)上、下部各部尺寸，高架線形流暢、勻稱、協(xié)調(diào)，強(qiáng)調(diào)水平向的延伸感，墩柱規(guī)則、有序，形成韻律感、節(jié)奏感和雄偉的氣勢(shì)，整體外形方案如圖1所示。

在方案1和2優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，方案3對(duì)外腹板進(jìn)行富有規(guī)律的變化，U梁外側(cè)突起升高，增加立面陰影面積，視覺上降低U梁視覺高度，層次分明，腹板厚度增大，受力更合理，見圖1所示。方案3整體外型猶如一條騰飛的巨龍，融于蓬勃發(fā)展的城市及自然之中，是現(xiàn)代化城市的一道空中連廊，體現(xiàn)了“和諧、現(xiàn)代、環(huán)?！钡某鞘形幕?，其下部橋墩采用中華傳統(tǒng)的圓柱，體現(xiàn)了鄭州作為多朝古都的“博大，和諧”精神;蓋梁采用了飄逸的懸臂造型，使得上下部呼應(yīng)，用展翅欲飛的體型，寓意航空港區(qū)的特質(zhì)，體現(xiàn)了鄭州引領(lǐng)中部崛起的“開放、創(chuàng)新”的精神。

（二）橋面系研究

城市軌道交通高架U型梁橋，在國(guó)內(nèi)橋面系中，是一種全新的型式。U梁橋面系布置不僅影響橋梁寬度、橋梁的整體景觀、相關(guān)專業(yè)管線和設(shè)備的布置，還影響橋梁的耐久性和養(yǎng)護(hù)維修工作。合理的橋面布置是保證軌道交通系統(tǒng)安全高效運(yùn)營(yíng)、控制土建投資的重要環(huán)節(jié)。

整合優(yōu)化橋面布置，是保證軌道交通系統(tǒng)安全高效運(yùn)營(yíng)、控制土建投資、保證橋梁景觀的重要環(huán)節(jié)。通過采用中間接觸網(wǎng)橋面布置方案，充分考慮利用U型梁的內(nèi)部空間，將橋上通信、信號(hào)、電力電纜等設(shè)備管線放置于U梁腹板內(nèi)側(cè)，不再單獨(dú)設(shè)置護(hù)欄板。同時(shí)，利用U型梁上翼緣做檢修及旅客緊急疏散通道，將接觸網(wǎng)設(shè)置于中間位置，可提升高架線的整體景觀，景觀效果好且橋?qū)捵钫?，見圖2所示。

六、預(yù)制U梁施工工法研究

施工方法的選用應(yīng)因地制宜，視高架橋梁總長(zhǎng)，橋梁結(jié)構(gòu)的跨度、孔數(shù)、截面形式和尺寸，地形、氣候、運(yùn)輸條件，設(shè)備能力、設(shè)備的周轉(zhuǎn)使用，車站、結(jié)點(diǎn)橋的位置與數(shù)量等綜合條件來選擇。目前國(guó)內(nèi)外軌道交通標(biāo)準(zhǔn)梁施工方法主要有整孔預(yù)制汽車吊吊裝、整孔預(yù)制架橋機(jī)運(yùn)架梁、節(jié)段拼裝、現(xiàn)場(chǎng)澆筑等工法。

結(jié)合全線線路情況、規(guī)劃道路現(xiàn)狀，從減小交通干擾、保護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境、降低施工難度和工程造價(jià)的角度出發(fā)，統(tǒng)籌考慮工程投資、工程進(jìn)度的需要，針對(duì)本工程線路長(zhǎng)、站間距大、市政道路交叉多的特點(diǎn)，推薦全線U梁采用整孔預(yù)制U梁，架橋機(jī)架設(shè)方案。

七、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析

預(yù)制U梁作為下承式開口薄壁構(gòu)件，由兩邊的腹板、中間的底板及端橫梁組成，其傳力體系為：荷載→橋面板→主梁→橫梁→支座[7]。

（一）腹板承受下拉力和剪力

豎向偏載還會(huì)引起主梁扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生彎剪扭效應(yīng)[8]。

（二）底板在豎向荷載作用下

應(yīng)力分布不太均勻，空間作用特性明顯，底板的應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的剪力滯現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行空間實(shí)體和平面梁?jiǎn)卧Ｐ蛯?duì)比分析[9]。

（三）跨中上翼緣受壓區(qū)混凝土面積比較小

預(yù)應(yīng)力效應(yīng)利用率偏低，因此在滿足限界的情況下，應(yīng)盡量加大或加厚上翼緣尺寸，避免受壓區(qū)高度不足，減小上緣壓應(yīng)力，提高預(yù)應(yīng)力效率，也有助于增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度、腹板的穩(wěn)定性以及減小縱梁的側(cè)傾位移[10]。

總之，預(yù)制U梁的抗扭剛度和腹板穩(wěn)定性不如箱梁好，具有復(fù)雜的空間受力特點(diǎn)，彎剪扭效應(yīng)明顯[9]。

八、結(jié)語(yǔ)

通過研究預(yù)制U梁在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況分析、在鄭州軌道交通高架橋中的環(huán)境適應(yīng)性分析、設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)分析、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析等研究表明，預(yù)制U梁結(jié)構(gòu)既能滿足功能的需求，又可成為環(huán)境友好型工程，具有較大的推廣價(jià)值，在軌道交通建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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通訊作者：朱君卿，1983年3月，男，漢族，山西陽(yáng)泉人，就職于北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，高級(jí)工程師，研究生。研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。