市域铁路桥梁综合设计研究

摘要：针对市域铁路的功能定位和技术特点，阐明了适合市域铁路的活载图式，并对高架桥梁的墩型和梁型的构造进行探讨，初步对比了墩梁的变形情况及受力特点，确定在新的活载情况下合适的构造尺寸。

关键词：市域铁路；ZC活载；结构限值

中图分类号：F530.3文献标识码： A

前言

随着经济的快速发展，各个城市之间的联系日趋紧密，轨道交通已经成为我国各大城市之间经济可持续发展的重要手段。而一种新型的铁路形式，兼有城市内轻轨，城市间快速交通，路网客运专线和一般铁路的共同特点，按照这种比较新型的交通形式规划建设的项目逐渐增加，这种新型的交通形式即市域铁路。 市域铁路桥梁荷载既要兼顾桥梁承受水平，又考虑发展，且不至于浪费，活载图式的选择显得尤为重要。同样，城市高架桥有着经济美观的要求，所以墩型梁型的比选也是必不可少的环节。本文着重在这几方面进行探讨。

1.活载图式的对比

列车活载是桥梁结构设计的重要参数之一, 其活载图式标准的制定应满足运输、机车车辆(包括轴重及运行速度)发展的需要, 依据活载图式设计的承重结构除必须满足强度、刚度和疲劳安全性能的要求外,还要满足旅客舒适度的要求; 同时, 活载图式的正确选用对全线的投资影响很大。

欧洲各国为UIC荷载，既国际铁路联盟荷载标准，其大小相当于我国客货共线的铁路的中-活载，我国客货共线铁路采用中-活载，我国客运专线采用ZK荷载，城市轨道交通大多为列车荷载，图1-图4示意出各种标准荷载图示。

图1UIC活载图式(单位: m) 图2中—活载图式 (单位: m)

图3ZK(0.8UIC)标准荷载图式 (单位: m) 图4 CRH6活载图式轴重P ≤170 kN ( 尺寸单位: m)

目前部分城际铁路采用ZC荷载（0.6UIC）。根据市域铁路的具体运营情况，本文建议选用0.6UIC活载图式标准。下表为各种不同荷载作用下不同跨度之间的跨中换算均布静活载效应和支点反力换算均布静活载效应。

表1 跨中换算均布静活载效应kN/m

跨度 中活载 UIC 0.8UIC 0.7UIC 0.6UIC 0.5UIC 0.4UIC 0.3UIC 运营车辆荷载

24 110.2 115.6 92.5 80.9 69.4 57.8 46.2 34.7 38.0

32 104.0 107.7 86.1 75.4 64.6 53.8 43.1 32.3 31.4

表2 支点反力换算均布静活载效应kN/m

跨度 中活载 UIC 0.8UIC 0.7UIC 0.6UIC 0.5UIC 0.4UIC 0.3UIC 运营车辆荷载

24 120.3 126.2 101.0 88.3 75.7 63.1 50.4 37.9 43.3

32 111.7 115.6 92.5 80.9 69.4 57.8 46.3 34.7 39.6

对比表中结果，ZC活载效应约为列车活载效应的2倍，满足安全贮备要求。

在某轻轨高架桥梁(活载为列车荷载)上施加不同活载，梁部静活载挠跨比见下表

挠跨比比较

活载类型 24m简支梁(双线) 32+48+32m连续梁(双线)

挠度/cm 挠跨比 边跨 中跨

挠度/cm 挠跨比 挠度/cm 挠跨比

城轨A型车 0.445 1/5146 0.552 1/5706 1.16 1/4137

0.8UIC(ZK) 0.912 1/2510 1.19 1/2647 3.34 1/1437

0.6UIC(ZC) 0.684 1/3347 1.15 1/2739 2.49 1/1927

各规范的结构位移限值表

规范 铁路桥涵设计基本规范 新建时速200公里客货共线暂规 新建时速200-250公里客专暂规 高速铁路设计规范 地铁设计规范征求意见稿

静活载挠度限值 L/800 L/1000 L/1000 L/1600(350km/h) L/2000

参照以上规范限值，及表中计算结果表明按照0.6UIC活载加载的梁体满足变形要求。

2.墩梁形式的选择

2.1墩型对比及变形控制

为满足桥梁使用和城市景观的需要,在墩柱选型时应能与梁部结构相适应, 既满足使用又轻巧美观, 与城市环境协调。墩梁的多少与桥梁跨度有关, 梁跨过小(梁高虽小), 但桥墩增多, 桥墩林立, 高架线很不美观, 只有做到梁高、梁跨、桥墩的合理搭配, 才能收到高架线适用、经济、美观的效果。轨道交通高架线区间桥梁桥墩型式有多种, 本身也有美学要求, 但何种梁式与何种桥墩配合最好, 也是需要研究的。桥墩形式一般有T形墩、倒T 形墩、Y 形墩、双柱墩、单柱墩等。在确定城市轨道交通高架区间桥梁时, 不仅要考虑上部梁式结构, 同时也应考虑与之配合的墩柱结构。以下列出一些国内外采用的各种桥墩形式

广珠城际花瓶式桥墩 成灌铁路禾型桥墩京沪高铁双柱式桥墩 法国旺塔布朗高速铁路桥

目前，国内大多采用花瓶式及其近似结构来作为桥墩的基本外形。而国外的六角喇叭花型桥墩结构造型美观，但是其横向水平位移不易控制，致使结构尺寸偏大，与我国普遍采用的32m跨度梁搭配比例不协调，而且浪费材料，因此少有应用。

桥墩刚度在铁路桥梁设计中的重点问题,桥墩刚度过大,不经济,桥墩刚度过小,舒适性及安全性不能满足要求,因此有必要在设计中对墩顶弹性水平位移控制进行研究《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002. 1 -2005)中规定墩顶纵向水平位移按进行控制,《高速铁路设计暂行规定》中桥墩线刚度的限值为350KN/cm。而0.6UIC不同于其他荷载，显然要重新界定合理限值。参考广珠城际设计,墩顶顺桥向与横桥向弹性水平位移采用下式进行控制:  式中,L为桥梁跨度(m);Δ为包括由墩台身和基础的弹性变形以及基底土弹性变形、日照等引起的墩顶位移(mm)。

2.2梁型对比及尺寸初拟

高架区间梁式结构型式的选择应满足使用、经济、美观、便于施工及桥下道路、河流交通和环保的要求, 避免出现肥梁胖柱。根据目前我国轨道交通高架区间桥梁建设的能力和现状, 考虑到铁路、公路、城市道路桥梁建设的成熟经验和方法, 借鉴国外城市轨道线高架桥建设的经验, 适当地选择梁式结构型式。目前, 高架区间梁部结构形式重点考虑预应力混凝土箱形梁、T 形梁和槽形梁。

下图1-4为轨道交通高架区间几种梁式结构采用情况

1重庆跨座式轨道梁 2北京八通线工型组合梁3箱梁典型横断面 4台北内湖线高架槽形梁

可以暂时认为, 在目前情况下, 仅仅就工程数量、工程造价相比, T 形梁最少、箱形梁次之、槽形梁最多。同样, 梁重的排序也如此。综上,目前认为箱形梁的优点为力学性能好, 外形简洁景观效果好, 适用性强。在轨道交通方面箱梁具有相当成熟的设计、施工水平和经验。而T 形梁、槽形梁在国内应用不多。对于线路高程确定不可更改, 梁高又受到桥下净空高度限制而不能采用箱形梁或其他上承梁时, 梁高可做得很小的槽形梁或脊形梁可供选择(当然, 梁高可做得很小的还有其他梁式)。在城市景观无特殊要求时, 例如远郊区, 用低高度、超低高度的T 形梁仍可作为一种比较方案。由于脊形梁在我国采用更少, 本文不做讨论。当然, 要做到高架线经济美观, 不仅要研究梁式, 还应研究梁的经济合理的跨度以及墩柱的选型。不同梁式结构的跨越能力是不同的, 各有其经济合理的跨度。一般将城市轨道交通高架线区间桥梁跨度选为20~ 30m。

下表列出的是在ZC活载(双线)作用下，跨度32m的简支梁，在不同梁高情况下变形和应力情况变化。

变形对比表

梁型 梁高m 梁端转角‰ 静活载挠跨比 竖向自振频率

单箱单室 顶板30cm底板30cm腹板36cm 2.1 1.05 1/3198 4.833

2.2 0.939 1/3568 5.084

2.3 0.858 1/3906 5.328

2.4 0.777 1/4309 5.567

应力对比表 (单位Mpa)

梁高 上缘最大应力 上缘最小应力 下缘最大应力 下缘最小应力 最大主压应力 最大主拉应力

2.1m 13.02 -2.01 17.30 -0.809 17.00 -2.42

2.2m 12.70 -2.05 15.50 -0.782 16.30 -2.46

2.3m 12.00 -2.08 15.40 -0.753 15.50 -2.5

2.4m 12.20 -2.11 14.00 -0.731 15.50 -2.54

从以上表中来看，综合考虑刚度限值及混凝土应力情况，梁高2.3m能够较好的满足规范的各项要求。

3.结语

本文对市域铁路高架桥梁荷载的选择，桥墩及梁部型式的设计，以及墩梁的计算情况，尺寸的拟定做了初步的研究，限于篇幅未做详细讨论。市域铁路高架桥梁型式的设计有着重要的意义，涉及到城市以及俩个城市之间的线路、桥梁、轨道、建筑景观、建筑结构、环境保护、施工等多个领域。总之，要做到墩梁形式的安全耐用，节省材料，造型独特美观，还需要技术人员的持续努力和不管创新。

参考文献：

[1].周翊民 孙章 季令 城市轨道交通市域线的功能及技术特征[J].城市轨道交通研究，2007（8）

[2].徐志发城市轨道交通桥梁设计活载图式研究.交通科技，2010（2）