淺析城市軌道交通高架型式設計探討
摘要：城市軌道高架線路型式因其造價低、建設週期短而越來越受到決策者和建設者的青睞，正在建設的16條線路中，高架長度已佔到約40%。本文即重點論述了高架結構型式選擇的因素及高架結構設計應注意的。
關鍵詞：軌道交通；設計；高架結構
1高架城市軌道交通建設現狀
眾所周知，伴隨著新世紀的到來，的城市軌道交通建設也翻開了嶄新的一頁。中國人口過百萬的三十四個城市中，有二十個超大城市和特大城市正在建設和籌建自己的軌道交通。目前在建的線路長度近400公里，這其中高架線路型式因其造價低、建設週期短而越來越受到決策者和設計者的青睞。據統計，在已建成通車的8條146.94公里的線路中，僅有一條高架線，長度佔17%，而正在建設的16條線路中，高架長度已佔到約40%。表1為已建專案高架線路情況統計。
城市快速軌道交通高架橋樑與一般城市高架道路橋樑不同，雖與鐵路橋近似，但也有其特殊性，主要體現在以下幾個方面：
②城市軌道交通特有的橋面系佈置及介面關係；
③列車的執行最高速度為80km/h，執行密度大，維修時間短；
④建設地點一般位於城區或近郊區，對景觀要求、施工工期及環保要求較高。
目前，正在建設高架軌道交通專案的北京、上海、武漢等地，業主和設計者已充分認識到了上述特點，並積極開展了工作，為高架結構的選擇和設計積累了一定的經驗，正在修編的《地下鐵道設計規範》也特別加入了高架結構這一章。本文重點論述了高架結構型式選擇的影響因素及高架結構設計應注意的問題，供大家探討交流。
3高架結構設計應注意的問題
3.1特殊荷載
軌道交通高架橋因橋上鋪設無縫線路，引起了一些特殊力。橋上鋪設無縫線路因溫度變化、列車荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使樑軌之間產生相對位移，因扣件縱向阻力的作用，樑軌相對位移受到約束，因此樑軌間產生大小相等、方向相反的縱向力。它們分別是：伸縮力、撓曲力、斷軌力，制動力與鐵路橋也不同。
3.2變形控制
由於城市軌道高架橋採用無渣無枕軌道結構，鋼軌扣件調高量僅為40mm，即橋樑的後期變形不能大於40mm.橋樑設計時必須考慮變形控制。主要的變形包括予應力混凝土樑的徐變變形和基礎的後期沉降。從1997年開始，筆者有幸參加了國內第一條高架城市軌道交通線路-上海明珠一期工程的設計及該工程對橋樑的徐變控制和基礎沉降的課題，課題從設計、施工監測、到運營階段對橋樑的徐變和沉降進行了深入研究，課題歷時4年多。正在建設的北京城市鐵路，也對橋樑的徐變進行了測試，工程實踐表明，在設計和施工過程中採取一些適當措施，其變形是可以得到有效控制的。
控制徐變變形的措施：
1．設計時適當增加樑的剛度，減少彈性變形，從而減少徐變變形基數；
2．優化予應力鋼束佈置，控制張拉應力。
3．提高張拉時混凝土的齡期。
4．樑體設計預拱度時考慮徐變變形的。
5．施工加強對混凝土的養護，減低水灰比。
6．樑澆注完成後，要做好施工組織，儘量延遲承軌臺開始澆注的時間。
7．加強監測，將測量資訊及時反饋給設計。
基礎變形控制
1．儘量採用樁基礎；
2．增加樁長；
3．增加樁數；
4．選擇持力層。
3.3橋樑結構形式的選擇
長距離的高架橋結構形式的選擇應遵循安全、、美觀、便於施工，滿足橋下道路交通及環保要求，因此，高架橋區間標準段橋式選擇的成功與否，是高架線路建設能否成功的關鍵因素之一。
3.3.1合理跨徑：從景觀、經濟和施工技術等各方面綜合考慮確定。區間標準樑的合理跨度以25m-30m為宜。
3.3.2結構體系：城市中小跨度橋多采用簡支樑體系或連續樑體系。簡支樑結構簡單,受力明確，容易做到設計標準化、製造工廠化、施工機械化，安裝架設方便，施工速度較快。連續樑橋為超靜定體系，其優點是結構剛度大，變形小，動力效能好，有利於改善行車條件，減小列車執行產生的噪音和振動。優先推薦簡支樑體系。
3.3.3樑型
根據幾條線的建設經驗，區間標準樑的結構型式重點應考慮預應力混凝土箱梁、預應力混凝土槽形樑和預應力混凝土T形樑。
箱梁能適應各類條件，是國內廣泛採用的高架結構形式之一，它具有閉合薄壁截面，抗扭剛度大，整體受力效能好、動力穩定性好。箱梁外觀簡潔、適應性強，在區間直線段、曲線段、折返線及渡線段等處均可採用，對於斜彎橋尤為有利。
Ｔ形樑屬肋樑式結構的一種，其抗彎效能好。由於主樑為工廠或現場預製，故質量較高。橋樑上部結構由四片Ｔ樑相互聯結而成，吊裝重量輕，施工方便，且構件容易修復或更換。
槽形樑為下承式樑，與上承式樑相比，其最大優點是結構高度相對較低，且兩側的主樑可起到隔音作用。
表2列出了各種型式樑特性的綜合比較。
3.4施工方式選擇
對於標準區間橋樑，其施工主要有整孔預製方案、節段拼裝和現澆三種方式。從表1可以看出，在目前國內建成和在建的線路中，橋樑施工方法多采用現澆，這是由於當時國內橋樑運輸和吊裝裝置的限制及標段劃分較小的原因造成的。但是，世界上橋樑技術迅速，橋樑的結構也在多樣化，特別是由於橋樑架設施工技術的發展，促使各類橋樑的架設質量與進度不斷提高。由於高速鐵路橋樑和輕軌交通高架橋樑發展的需要，也使架橋裝置與技術日新月異。修建城市輕軌高架橋，應採用預製簡支樑吊運架設法，利用橋樑施工裝置與技術，以流水作業方式進行建設施工。這種方法已在義大利、法國、南韓、墨西哥等國家被證明是保證橋樑外觀質量、縮短工期、降低總成本、減少施工對的負效應的最佳方式。
預製施工方案的特點：
1***在現場預製箱梁，通過運輸機械將箱梁運到橋位，再利用架橋機械將箱梁安裝就位。
2***對施工現場周邊的城市環境影響較小。由於採用預製、吊裝的施工方法，在橋墩及基礎施工完成後即可對施工沿線現場進行清理，並在線上完成橋樑架設，可有效減小拆遷量，減少施工場地佔用面積和時間以及對城市交通的影響。
3***橋樑上部結構為工廠化生產，施工工藝簡單易行，技術成熟，橋樑的內部質量及外觀都能得到保障，可有效避免全線現澆作業中橋樑質量參差不一，外觀相差較大的現象。
4***整孔預製、運輸、架設方案單工作面施工速度遠遠快於其他施工方案。如採取恰當運樑方式，更有利於減少施工對城市環境及城市交通的影響。
5***預製施工的發展-階段拼裝法：分段箱梁的運輸、安裝方便，採用跨越式架橋桁機，對交通和社群的干擾最小。此外橋樑跨度較大並可靈活調整。
3.5車站結構型式及減振措施
從結構形式上高架車站主要分三類：站橋分離式，橋從車站穿過，與車站的構件不發生任何關係；站、橋結合式，即行車道處設行車道樑，該樑簡支在車站框架橫樑上，支承點採取減振措施；站、橋合一式，即車站部分框架結構作為行車道，列車直接在框架樑板上行走。這三種結構形式有如下的優缺點：
高架車站結構型式比較表 表3
4需進一步研究的課題
雖然城市軌道交通高架橋的建設已有一些經驗，但仍需解決以下：
1***橋樑結構耐久性及100年設計基準期的設計引數選擇。
2***施工方法研究，如整孔預製運架技術、階段拼裝技術、先張預應力技術等。
3***車站型式及規模優化。
4***減振降噪技術。
5結語
綜上所述，城市軌道交通高架型式的設計有其自身的特點，它涉及了線路、橋樑、軌道、建築景觀、建築結構、環境保護、施工等多個領域，是一個綜合的設計系統。作者在這裡只是拋磚引玉，希望的高架城市軌道交通系統建設不斷完善、持續創新。
[1]馮愛軍,“軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制”，第二屆全國城市橋樑青年學術會議，1999.12。
[2]“北京地鐵5號線投標檔案”，北京城建設計研究院。2002.4
關鍵詞：軌道交通；設計；高架結構
1高架城市軌道交通建設現狀
眾所周知，伴隨著新世紀的到來，的城市軌道交通建設也翻開了嶄新的一頁。中國人口過百萬的三十四個城市中，有二十個超大城市和特大城市正在建設和籌建自己的軌道交通。目前在建的線路長度近400公里，這其中高架線路型式因其造價低、建設週期短而越來越受到決策者和設計者的青睞。據統計，在已建成通車的8條146.94公里的線路中，僅有一條高架線，長度佔17%，而正在建設的16條線路中，高架長度已佔到約40%。表1為已建專案高架線路情況統計。
城市快速軌道交通高架橋樑與一般城市高架道路橋樑不同，雖與鐵路橋近似，但也有其特殊性，主要體現在以下幾個方面：
②城市軌道交通特有的橋面系佈置及介面關係；
③列車的執行最高速度為80km/h，執行密度大，維修時間短；
④建設地點一般位於城區或近郊區，對景觀要求、施工工期及環保要求較高。
目前，正在建設高架軌道交通專案的北京、上海、武漢等地，業主和設計者已充分認識到了上述特點，並積極開展了工作，為高架結構的選擇和設計積累了一定的經驗，正在修編的《地下鐵道設計規範》也特別加入了高架結構這一章。本文重點論述了高架結構型式選擇的影響因素及高架結構設計應注意的問題，供大家探討交流。
3高架結構設計應注意的問題
3.1特殊荷載
軌道交通高架橋因橋上鋪設無縫線路，引起了一些特殊力。橋上鋪設無縫線路因溫度變化、列車荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使樑軌之間產生相對位移，因扣件縱向阻力的作用，樑軌相對位移受到約束，因此樑軌間產生大小相等、方向相反的縱向力。它們分別是：伸縮力、撓曲力、斷軌力，制動力與鐵路橋也不同。
3.2變形控制
由於城市軌道高架橋採用無渣無枕軌道結構，鋼軌扣件調高量僅為40mm，即橋樑的後期變形不能大於40mm.橋樑設計時必須考慮變形控制。主要的變形包括予應力混凝土樑的徐變變形和基礎的後期沉降。從1997年開始，筆者有幸參加了國內第一條高架城市軌道交通線路-上海明珠一期工程的設計及該工程對橋樑的徐變控制和基礎沉降的課題，課題從設計、施工監測、到運營階段對橋樑的徐變和沉降進行了深入研究，課題歷時4年多。正在建設的北京城市鐵路，也對橋樑的徐變進行了測試，工程實踐表明，在設計和施工過程中採取一些適當措施，其變形是可以得到有效控制的。
控制徐變變形的措施：
1．設計時適當增加樑的剛度，減少彈性變形，從而減少徐變變形基數；
2．優化予應力鋼束佈置，控制張拉應力。
3．提高張拉時混凝土的齡期。
4．樑體設計預拱度時考慮徐變變形的。
5．施工加強對混凝土的養護，減低水灰比。
6．樑澆注完成後，要做好施工組織，儘量延遲承軌臺開始澆注的時間。
7．加強監測，將測量資訊及時反饋給設計。
基礎變形控制
1．儘量採用樁基礎；
2．增加樁長；
3．增加樁數；
4．選擇持力層。
3.3橋樑結構形式的選擇
長距離的高架橋結構形式的選擇應遵循安全、、美觀、便於施工，滿足橋下道路交通及環保要求，因此，高架橋區間標準段橋式選擇的成功與否，是高架線路建設能否成功的關鍵因素之一。
3.3.1合理跨徑：從景觀、經濟和施工技術等各方面綜合考慮確定。區間標準樑的合理跨度以25m-30m為宜。
3.3.2結構體系：城市中小跨度橋多采用簡支樑體系或連續樑體系。簡支樑結構簡單,受力明確，容易做到設計標準化、製造工廠化、施工機械化，安裝架設方便，施工速度較快。連續樑橋為超靜定體系，其優點是結構剛度大，變形小，動力效能好，有利於改善行車條件，減小列車執行產生的噪音和振動。優先推薦簡支樑體系。
3.3.3樑型
根據幾條線的建設經驗，區間標準樑的結構型式重點應考慮預應力混凝土箱梁、預應力混凝土槽形樑和預應力混凝土T形樑。
箱梁能適應各類條件，是國內廣泛採用的高架結構形式之一，它具有閉合薄壁截面，抗扭剛度大，整體受力效能好、動力穩定性好。箱梁外觀簡潔、適應性強，在區間直線段、曲線段、折返線及渡線段等處均可採用，對於斜彎橋尤為有利。
Ｔ形樑屬肋樑式結構的一種，其抗彎效能好。由於主樑為工廠或現場預製，故質量較高。橋樑上部結構由四片Ｔ樑相互聯結而成，吊裝重量輕，施工方便，且構件容易修復或更換。
槽形樑為下承式樑，與上承式樑相比，其最大優點是結構高度相對較低，且兩側的主樑可起到隔音作用。
表2列出了各種型式樑特性的綜合比較。
3.4施工方式選擇
對於標準區間橋樑，其施工主要有整孔預製方案、節段拼裝和現澆三種方式。從表1可以看出，在目前國內建成和在建的線路中，橋樑施工方法多采用現澆，這是由於當時國內橋樑運輸和吊裝裝置的限制及標段劃分較小的原因造成的。但是，世界上橋樑技術迅速，橋樑的結構也在多樣化，特別是由於橋樑架設施工技術的發展，促使各類橋樑的架設質量與進度不斷提高。由於高速鐵路橋樑和輕軌交通高架橋樑發展的需要，也使架橋裝置與技術日新月異。修建城市輕軌高架橋，應採用預製簡支樑吊運架設法，利用橋樑施工裝置與技術，以流水作業方式進行建設施工。這種方法已在義大利、法國、南韓、墨西哥等國家被證明是保證橋樑外觀質量、縮短工期、降低總成本、減少施工對的負效應的最佳方式。
預製施工方案的特點：
1***在現場預製箱梁，通過運輸機械將箱梁運到橋位，再利用架橋機械將箱梁安裝就位。
2***對施工現場周邊的城市環境影響較小。由於採用預製、吊裝的施工方法，在橋墩及基礎施工完成後即可對施工沿線現場進行清理，並在線上完成橋樑架設，可有效減小拆遷量，減少施工場地佔用面積和時間以及對城市交通的影響。
3***橋樑上部結構為工廠化生產，施工工藝簡單易行，技術成熟，橋樑的內部質量及外觀都能得到保障，可有效避免全線現澆作業中橋樑質量參差不一，外觀相差較大的現象。
4***整孔預製、運輸、架設方案單工作面施工速度遠遠快於其他施工方案。如採取恰當運樑方式，更有利於減少施工對城市環境及城市交通的影響。
5***預製施工的發展-階段拼裝法：分段箱梁的運輸、安裝方便，採用跨越式架橋桁機，對交通和社群的干擾最小。此外橋樑跨度較大並可靈活調整。
3.5車站結構型式及減振措施
從結構形式上高架車站主要分三類：站橋分離式，橋從車站穿過，與車站的構件不發生任何關係；站、橋結合式，即行車道處設行車道樑，該樑簡支在車站框架橫樑上，支承點採取減振措施；站、橋合一式，即車站部分框架結構作為行車道，列車直接在框架樑板上行走。這三種結構形式有如下的優缺點：
高架車站結構型式比較表 表3
4需進一步研究的課題
雖然城市軌道交通高架橋的建設已有一些經驗，但仍需解決以下：
1***橋樑結構耐久性及100年設計基準期的設計引數選擇。
2***施工方法研究，如整孔預製運架技術、階段拼裝技術、先張預應力技術等。
3***車站型式及規模優化。
4***減振降噪技術。
5結語
綜上所述，城市軌道交通高架型式的設計有其自身的特點，它涉及了線路、橋樑、軌道、建築景觀、建築結構、環境保護、施工等多個領域，是一個綜合的設計系統。作者在這裡只是拋磚引玉，希望的高架城市軌道交通系統建設不斷完善、持續創新。
[1]馮愛軍,“軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制”，第二屆全國城市橋樑青年學術會議，1999.12。
[2]“北京地鐵5號線投標檔案”，北京城建設計研究院。2002.4