張海，顏志華，蔣成強(qiáng)

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300300）

0 引言

市域鐵路是伴隨我國(guó)城鎮(zhèn)化和區(qū)域一體化發(fā)展產(chǎn)生的新型交通系統(tǒng)，相較于近10年來我國(guó)高速鐵路和城際鐵路的蓬勃發(fā)展，市域鐵路在我國(guó)起步較晚，尚屬探索階段。世界發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)種類較多，包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)等，主要有國(guó)家鐵路局行業(yè)規(guī)范、中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)規(guī)范、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)規(guī)范、中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部地鐵快線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及地方標(biāo)準(zhǔn)等。市域鐵路設(shè)計(jì)速度100～160 km/h，設(shè)計(jì)荷載有ZS、SS、城際快線活載，運(yùn)行市域A、B、D、CRH等市域車輛［3］。

總體來說，我國(guó)市域鐵路存在標(biāo)準(zhǔn)多樣、橋梁結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)選型與地域特點(diǎn)結(jié)合不密切等問題，區(qū)間高架橋還需進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)體系及橋墩、橋梁選型做進(jìn)一步研究，以適應(yīng)市域鐵路安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、環(huán)保設(shè)計(jì)的需求。

1 市域鐵路橋梁結(jié)構(gòu)體系

1.1 結(jié)構(gòu)體系種類

軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)可供選擇的體系主要有：簡(jiǎn)支梁體系、連續(xù)梁體系、連續(xù)梁剛構(gòu)體系。簡(jiǎn)支梁體系作為一種在橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系，在北京地鐵機(jī)場(chǎng)線、上海軌道交通3號(hào)線等眾多項(xiàng)目中得到應(yīng)用；連續(xù)梁體系經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較好，但對(duì)收縮、徐變、沉降的反應(yīng)較簡(jiǎn)支梁體系敏感，在北京地鐵5號(hào)線等項(xiàng)目中得到應(yīng)用；連續(xù)梁剛構(gòu)體系作為一種超靜定結(jié)構(gòu)，整體剛度優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)收縮、徐變、沉降的反應(yīng)更敏感，目前我國(guó)應(yīng)用項(xiàng)目較少，僅廣州地鐵14號(hào)線等項(xiàng)目采用了該種結(jié)構(gòu)體系。我國(guó)部分城市軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)體系見表1。

表1 我國(guó)部分城市軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)體系

1.2 結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

市域鐵路橋梁各結(jié)構(gòu)體系抗震性能、結(jié)構(gòu)特性、橋梁景觀、施工質(zhì)量、施工方法、施工工藝、環(huán)境影響［4］等特點(diǎn)見表2。

表2 市域鐵路橋梁各結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

1.3 結(jié)構(gòu)體系選擇

通過綜合比較，小跨度連續(xù)梁、連續(xù)梁剛構(gòu)體系與簡(jiǎn)支梁體系相比在力學(xué)性能上優(yōu)勢(shì)不突出，且施工質(zhì)量及施工進(jìn)度控制較難，對(duì)基礎(chǔ)沉降敏感，特別是深厚軟土、地層復(fù)雜區(qū)間，基礎(chǔ)不均勻沉降控制難度大，此時(shí)推薦采用簡(jiǎn)支梁體系作為區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體系；對(duì)景觀效果要求高、地質(zhì)條件好的區(qū)間，可考慮采用連續(xù)梁或連續(xù)梁剛構(gòu)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(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁、預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁、鋼混結(jié)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(dú)有的特點(diǎn)［5-6］。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁

圖5 雙肋板梁

圖2 槽型梁

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁

圖4 鋼混結(jié)合梁

上述眾多梁型中鋼混結(jié)合梁造價(jià)較高，噪聲較大，養(yǎng)修維護(hù)復(fù)雜；板梁由于自身受力特性的限制，不宜在市域鐵路應(yīng)用；單箱多室弧形箱型梁設(shè)計(jì)和施工復(fù)雜，故目前市域鐵路大多采用單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁、雙箱單室簡(jiǎn)支箱型梁和U型梁。從結(jié)構(gòu)特性、功能性、減震降噪性能、施工難度等方面對(duì)3種常用簡(jiǎn)支梁梁型進(jìn)行綜合比較（見表3）。

表3 3種常用簡(jiǎn)支梁梁型綜合比較項(xiàng)目

通過綜合比選可知，單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁具有整體剛度好、結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能優(yōu)、造型簡(jiǎn)潔、景觀效果好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，建議市域鐵路優(yōu)先采用單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁結(jié)構(gòu)。

2.2 單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁

單箱單室簡(jiǎn)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(gòu)造、跨度等梁部結(jié)構(gòu)形式與橋跨結(jié)構(gòu)的耐久性和養(yǎng)護(hù)維修工作有密切關(guān)系，直接影響工程總造價(jià)，在滿足橋梁受力性能、施工安全、運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)維修等要求下，應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)、美觀、適用的梁部結(jié)構(gòu)形式。以時(shí)速160 km市域鐵路橋梁雙線單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁為例進(jìn)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(fēng)壓帶寬度、最小曲線半徑、人行道寬度及結(jié)構(gòu)形式、擋砟墻（或防護(hù)墻）結(jié)構(gòu)尺寸、電纜槽寬度、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸、聲屏障基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(wú)砟軌道單箱單室簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)支箱型梁截面形式、梁體的橫向剛度一般不影響橋梁設(shè)計(jì)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(shè)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(duì)4.1、4.6、5.1、5.6、6.1、6.6、7.1 m七種腹板間距對(duì)比，求解在恒載、恒載+活載荷載組合作用下，腹板間距對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁內(nèi)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(jiǎn)支箱型梁內(nèi)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(shì)，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(shì)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(dāng)箱型梁腹板間距約為4.9 m時(shí)，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(shù)量基本相等，可在懸臂板、頂板配置橫向通長(zhǎng)鋼筋，充分發(fā)揮鋼筋作用，經(jīng)濟(jì)性最好。

2.2.3 梁高

單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁合理梁高主要由舒適性和經(jīng)濟(jì)性控制，舒適性控制指標(biāo)主要為撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角等。以32 m單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁為例，從經(jīng)濟(jì)性、舒適性、景觀等方面對(duì)梁高進(jìn)行比選，梁高比選值為1.9～2.3 m，控制指標(biāo)見表4，工程數(shù)量及費(fèi)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(jiǎn)支箱型經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)支箱型梁僅貴422元/孔，因此32 m單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁可采用2.0、2.1、2.2 m梁高。鑒于梁高優(yōu)勢(shì)，推薦采用2.0 m梁高。

表4 32 m單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁控制指標(biāo)

表5 32 m單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁工程數(shù)量及費(fèi)用

2.2.4 梁跨

以某市域鐵路工程（線路長(zhǎng)1 440 m）為例對(duì)鐵路常用32、36、40 m單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁對(duì)比分析。橋梁位于平原區(qū)；地層主要由淤泥質(zhì)黏性土、黏性土、粉土、砂類土等構(gòu)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(duì)比方案有4個(gè)，不同梁跨主要工程費(fèi)用見表6。

方案1：45跨32 m簡(jiǎn)支箱型梁?jiǎn)蝹€(gè)承臺(tái)采用6根φ1.00 m的樁基。

方案2：40跨36 m簡(jiǎn)支箱型梁?jiǎn)蝹€(gè)承臺(tái)采用8根φ1.00 m的樁基。

方案3：40跨36 m簡(jiǎn)支箱型梁?jiǎn)蝹€(gè)承臺(tái)采用5根φ1.25 m的樁基。

方案4：36跨40 m簡(jiǎn)支箱型梁?jiǎn)蝹€(gè)承臺(tái)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(gè)方案中，方案3和方案4價(jià)格較接近，方案2價(jià)格最高，方案1價(jià)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(biāo)準(zhǔn)梁跨。

表6 不同梁跨主要工程費(fèi)用 萬(wàn)元

3 市域鐵路橋梁墩型

大部分市域鐵路經(jīng)過城市區(qū)域，其不同于城市輕軌、地鐵，也有別于長(zhǎng)大干線的客運(yùn)專線鐵路，要求結(jié)構(gòu)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(yīng)具有足夠的剛度，重視橋墩景觀設(shè)計(jì)及附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使橋墩與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，突出體現(xiàn)時(shí)代風(fēng)貌，滿足城市景觀需要。目前我國(guó)鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)段橋墩主要采用流線形圓端實(shí)體橋墩和雙柱組合式橋墩；我國(guó)城市軌道交通橋梁標(biāo)準(zhǔn)段橋墩主要采用獨(dú)柱墩，橋墩造型較多，主要分兩類，一類針對(duì)整體箱型梁采用Y形墩，一類針對(duì)分體箱型梁和U型梁采用T形墩［5］。

3.1 墩型選擇

簡(jiǎn)支箱型梁作為我國(guó)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(dú)柱、Y形、雙柱、T形、寶石頂帽矩形墩等［8］，采用時(shí)可結(jié)合墩身特點(diǎn)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(dāng)，過大的墩頂寬度決定其下部很難做成漸變式墩柱，下部結(jié)構(gòu)選型及尺寸應(yīng)與之相適應(yīng)才能取得良好的景觀效果，因此國(guó)內(nèi)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(gòu)造要求同時(shí)結(jié)合橋墩剛度、位移等擬定橋墩截面尺寸。設(shè)計(jì)橋墩時(shí)，需根據(jù)不同的地質(zhì)情況，確定墩身彈性位移占總位移的合理比例，對(duì)于一般地質(zhì)，單位力墩身位移占單位力總位移的40%～60%時(shí)，橋墩和基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而且剛度容易滿足。另外，擬定橋墩截面尺寸時(shí)不能單純以剛度作為位移控制指標(biāo)，在橋墩截面尺寸計(jì)算中，斷軌力、地震力等特殊荷載控制截面尺寸和配筋數(shù)量，截面尺寸擬定過小，會(huì)出現(xiàn)截面配筋困難，配筋過多會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性較差。

以時(shí)速160 km的32 m單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁橋墩為例，墩高10 m時(shí)截面尺寸為1.4 m×3.2 m（方案1），當(dāng)墩高加大到12 m時(shí)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(shè)墩高12 m時(shí)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(jīng)濟(jì)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(duì)比見表7，橋墩截面尺寸擬定需同時(shí)兼顧受力、美觀、經(jīng)濟(jì)需求。

表7 各方案橋墩截面尺寸與配筋對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)市域鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)種類多，項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)的選擇應(yīng)結(jié)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(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、環(huán)保的設(shè)計(jì)原則。連續(xù)梁體系與簡(jiǎn)支梁體系相比在力學(xué)性能上優(yōu)勢(shì)不突出，且施工質(zhì)量及施工進(jìn)度控制較難。橋梁位于基礎(chǔ)不均勻沉降敏感的區(qū)間時(shí)，推薦優(yōu)先采用簡(jiǎn)支梁體系作為區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體系；橋梁位于景觀要求高、地質(zhì)條件好的區(qū)間時(shí)，可采用連續(xù)梁體系或連續(xù)梁剛構(gòu)體系。單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁具有整體剛度好、結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能優(yōu)、造型簡(jiǎn)潔、景觀效果突出、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，建議市域鐵路橋梁優(yōu)先采用單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁，32 m梁跨作為標(biāo)準(zhǔn)梁跨，梁高采用2 m。采用單箱單室簡(jiǎn)支箱型梁時(shí)推薦采用獨(dú)柱、Y形、雙柱、寶石頂帽矩形墩等墩型；橋梁采用U型梁時(shí)，推薦采用頂帽式墩型。