重慶跨座式單軌交通高架軌道梁橋設計

摘　要　重慶輕軌工程是我國第一條跨座式單軌交通系統。介紹了該跨座式單軌交通的技術標準,并對高架軌道梁橋的孔跨布置、軌道梁設計和制造工藝、墩柱設計形式以及相關技術作了闡述。
關鍵詞　獨軌鐵路,跨座式,軌道梁,輕軌交通橋梁設計
跨座式單軌交通具有噪音低、爬坡能力強、轉彎半徑小、快速便捷、占地少、造價低、利于環境保護等優點,是現代化城市快速軌道立體交通的一種新形式。但跨座式輕軌也有缺點,能耗大、運能小, 且無法與常規的地鐵、輕軌接軌。應用跨座式單軌鐵路最多的國家是日本。1964 年,日本東京修建了從市中心到羽田機場的跨座式單軌鐵路,全線實現計算機集中高度控制。該線成為旅客出入羽田機場的重要通道。后來,日本又建了大阪線、北九州線等跨座式單軌鐵路。另外,法國、美國、澳大利亞和英國也都修建了自己的跨座式單軌鐵路。本文介紹的是我國第一條跨座式單軌交通 重慶輕軌。
1 　工程簡介
重慶是山城,為丘陵地理特點,故選擇噪聲低、爬坡能力強、轉變半徑小的跨座式單軌交通系統, 這在我國尚屬首次。重慶市輕軌工程東起重慶市區商業中心較場口,西至大渡口區鋼鐵基地新山村,途經臨江門、大溪溝、牛角沱、李子壩、大坪、楊家坪等地段,全線長17. 54 km ,共設17 座車站。全線分兩期建設實施,其中一期工程由較場口至大堰村長13. 98 km ,14 座車站,2 座變電站,6 座牽引變電站,一座車場,一座控制中心,初期配車84 輛,建設工期為4 年半。全線建成后可達到高峰小時運送3 萬人次的客運能力,初期年客運量1. 5 億人次,遠期年客運量3 億人次。線路分左右線雙向行駛。高架軌道梁橋貫穿全線,高架橋占83. 2 %。工程總投資45 億元左右,每公里造價約為2. 2 億元。于2000 年開工建設,計劃2004 年6 月建成通車。
2 　主要技術標準
由于我國目前尚沒有跨座式單軌的設計規范和標準,針對重慶輕軌工程,借鑒日本規范《單軌構造設計指南》,并參考我國公路、鐵路橋規、《地下鐵道設計規范》,結合重慶輕軌工程的具體特點,重慶市軌道交通總公司專門制定了詳細具體的設計技術要求和技術標準。
(1) 線路性質:城市快速軌道交通線,正線數目為雙線。
(2) 行車速度:列車最高運行速度80 km/ h ,曲線段根據曲線半徑限速行駛。
(3) 設計荷載軸重:110 kN (車輛設計荷載圖示見圖1)
(4) 平曲線最小半徑:正線100 m ,車站300 m , 車輛段及道岔附帶曲線50 m。
(5) 縱斷面最大坡度:正線6 % ,地下車站5 % , 高架車站0 %。
(6) 曲線超高:正線圓曲線上設不大于12 %的超高率,允許欠超高率5 % ,允許過超高率3 % ,超高過渡在緩和曲線范圍內完成。
(7) 橋下凈空:跨越城市一般路段不小于5. 2 m ,大件路段一般不小于7 m。
(8) 雙線線間距:直線段3. 7 m ,曲線段根據曲線半徑及行車速度計算進行加寬。
(9) 建筑限界:區間直線段單線建筑限界寬度3. 87 m , 軌頂面以上4. 0 m ; 雙線橋梁限界寬度為7. 57 m , 高度為軌頂面以上4. 0 m 。
(10) 標準軌道形式:采用預制鋼筋混凝土軌道梁,斷面尺寸為1. 5 m(高) ×0. 85 m(寬)
(11) 標準預制PC 軌道梁跨度:平面曲線半徑大于700 m 時采用22 m 跨;平面曲線半徑小于等于700 m 時采用20 m 跨。
(12) 支座及伸縮縫:采用特殊設計的跨座式單軌專用鑄鋼拉力支座和指形板伸縮縫。

圖1 　跨座式單軌車輛設計荷載圖示
3 　軌道梁設計與制造
3. 1 　軌道梁設計
PC 軌道梁既是承載的梁,又是輕軌列車運行的軌道;既要滿足結構承載要求,又要在制造和架設過程中按照線路設計要求形成軌道線形。軌道梁作為輕軌車輛的走行軌道,直接關系到列車運行時的安全及平穩,因此對其設計精度及制造精度要求非常高。軌道梁的設計必須要確保軌道的整體線型要求以及較高的結構強度、剛度、豎向撓度、橫向抗扭轉變形要求。另外,軌道梁的設計不僅要考慮牽引供變電、接觸網、通信信號控制、避雷器、自動監控、綜合接地等電氣設施裝置的要求,同時要考慮敷設于軌道梁體上的電纜、內部管道等附屬物的接口安裝和維護條件,以及支座、伸縮縫等的安裝。各種復雜的接口關系和高精度要求導致了設計的高難度。
標準跨度軌道采用預制預應力鋼筋混凝土結構(PC 梁),其跨中的標準斷面尺寸(見圖2) 設為1. 5 m(高) ×0. 85 m(寬) 。兩片軌道梁之間的梁縫寬度采用30 mm , 梁縫中心至支座中心的距離采用400 mm 。兩片梁縫之間通過安裝指形板進行連接,以滿足伸縮要求。標準預制軌道梁均采用跨座式輕軌專用PC 軌道梁鑄鋼支座,按使用要求并兼顧標準化生產,分別按曲線半徑100 m 、500 m 及直線共分3 種類型。各類支座均有固定支座和活動支座之分。軌道梁在兩側中部設有剛性滑觸式導電軌,在梁內兩頂角處設有信號系統ARP/ TD 感應環線,梁體底部設有供電和通信、信號系統電纜托架,梁下托架在橋墩處設支架繞過支座。

圖2 　標準軌道梁跨中斷面(單位:mm)
根據軌道梁具體結構尺寸進行結構計算分析, 按分析數據進行體內預應力鋼束配置。鑒于軌道梁構造及受力模式的特殊性,梁體內預應力宜采用小孔鋼束。標準跨度的軌道梁體內共設10～12 束3 -7Φ5 和4 -7Φ5 兩種類型的預應力鋼絞性,用內徑Φ50 的波紋管成孔,采用AM 或HVN 系列錨具錨固。預應力鋼絞線標準強度為1 860 MPa , 錨外張拉控制應力為1 395 MPa 。為減少混凝土收縮徐變對軌道梁的影響,鋼束共分兩次張拉,第一次張拉4 束,第二次張拉其余鋼束。設計時按第4 天第一次張拉,第14 天第二次張拉,第104 天架設軌道梁,計算梁體變形。軌道梁內普通鋼筋均采用Ⅱ 級鋼筋,主筋和箍筋采用Φ16 , 輔助筋采用Φ12 。梁體混凝土采用C 60 號,梁端采用無收縮混凝土封錨。
預應力計算相關參數取值如下:
(1) 混凝土彈性模量初張拉時為34. 5 GPa , 終張拉時為37. 5 GPa ;
(2) 錨口損失按張拉應力的7 % 計算;
(3) 鋼束與管道壁之間摩擦系數為0. 26 , 管道偏差系數為0. 003 ;
(4) 收縮徐變終極值為2. 368(τ= 4), 2. 116 (τ = 14), 1. 544 (τ= 104);
(5) 收縮應變終極值為2. 2 ×10-4;
(6) 設計溫度為18 ℃ 。

軌道梁允許的動荷載(不包括沖擊荷載) 最大豎向撓度不應大于計算跨度的1/ 600 。軌道梁預制時設置反拱度。反拱度的大小是把靜荷載產生的撓度與動荷載產生撓度的1/ 2 相加,并考慮預應力、干燥收縮及徐變的影響來計算。
3. 2 　軌道梁制造和架設
由于線路縱坡、平面曲線、豎曲線、橫向曲線超高的影響,幾乎每一片軌道梁的線形都不相同。為保證軌道梁的整體線形高精度要求和確保PC 軌道梁的質量,除車輛段基地現澆RC 梁外,軌道梁一般為工廠預制。采用能適應各種平、豎曲線的可調活動模板制梁,經過嚴格的養護和質量管理。
由于影響PC 軌道梁變形的因素很多,預應力張拉、混凝土收縮徐變等均會引起的梁體外形偏差。為控制軌道梁的制造精度,每一片梁都必須編制《PC 軌道梁作工法指導書》作為制梁的依據。制作工法指導書是在PC 軌道梁施工圖、線形構造圖、預埋件布置圖的基礎上,結合制梁模板編制的, 用來控制PC 軌道梁初始形狀的技術文件。其內容包括:設計條件、活動制梁模板千斤頂壓拉量、反拱度設置、端模的傾斜角和轉角、端模和支座的平面位置關系、軌道梁制作時的弧長和弦長、相關的略圖、鋼筋布置方式、預應力鋼束布置、中模反拱度設置、施工檢測數據設計值等。其中變形控制設計的相關參數按規范及觀測梁的觀測結果取值。
PC 軌道梁的預制工藝流程控制非常嚴格,包括制梁臺車、內外模板安裝、線型調整、預應力管道安裝、預埋電纜管道、支座預埋件安裝、混凝土澆注、梁體養護、預應力張拉、梁體檢測等步驟。對每一步驟的制作安裝精度都作有詳細的規定,技術難度很高、工藝復雜。
PC 軌道梁的預制精度要求:長度±10 mm , 寬度±2 mm(端部) 、±4 mm(中間) 。預制軌道梁采用特殊研制的跨座式單軌專用PC 軌道梁架橋機進行單線架設;在墩高較小的特殊地段也可采用大噸位汽車運輸到目的地,然后以汽車吊起吊架設。
4 　橋跨布置及墩柱、基礎設計
4. 1 　橋跨布置
高架橋孔跨布置應符合城市總體規劃,考慮水文、地形、地質、周圍景觀等條件,以及對鄰近建筑、公用設施、道路、地下管線及構筑物的影響來確定。考慮到軌道梁使用功能的特殊性和結構的復雜性, 軌道梁需設計標準化、制造工廠化、施工機械化,并從城市整體的景觀角度出發,其橋型結構應優先采用標準跨度的預制PC 簡支梁布置方案。當線路平面曲線半徑大于700 m 時采用22 m 標準跨度; 當平面曲線半徑小于或等于700 m 時采用20 m 標準跨度;當受其它條件制約時才可采用非標準跨度。非標準跨度簡支梁必須大于6 m 、小于25 m 。標準跨和非標準跨度的PC 軌道梁均采用統一的標準斷面尺寸。當采用大于25 m 的大跨軌道梁時,須經特殊設計。
在受地形地質、立體景觀、城市道路立交等條件的制約時,可根據具體情況采用大跨度高架橋。大跨結構可采用主梁之上疊合標準軌道梁或兩者結合成整體受力的方式,也可采用大跨度鋼制軌道梁。大跨結構可以選擇PC 箱梁、PC 連續梁、連續剛構、V 形撐、T 構等結構形式。在重慶輕軌工程的實際設計中,根據實際情況,特殊地段分別采用了V 形撐、連續剛構、T 構、倒T 梁等大跨高架結構形式。
4. 2 　墩柱及基礎設計
輕軌穿越于城市中,大部分墩柱位于道路的中央分隔帶上,對墩柱的整體景觀要求較高。一般普通墩柱應優先采用鋼筋混凝土T 形獨柱式矩形或方形橋墩,特殊受地形限制地段可采倒L 形墩和門式剛架墩等形式,地面之上墩柱均應加設圓弧形倒角。墩柱結構的強度、剛度、穩定性,以及構造要求、裂縫計算寬度、配筋率等均應滿足相關技術要求。針對跨座式輕軌交通的結構特點,一般應遵循以下設計原則:
(1) 墩柱一般采用矩形(包含方形) 帶圓倒角形式,截面邊長以10 cm 進級,墩身最小配筋率為0. 6 % , 最大配筋率一般不超過2. 5 % 。
(2) 墩頂位移一般情況小于或等于5 ( L —梁跨長度,m) ,個別對景觀要求高及其它特殊地段可按不大于40 mm 控制。
(3) 橋墩基礎根據地層情況可選用矩形或圓形挖孔樁、鉆孔樁、明挖擴大等基礎形式。樁身配筋率控制在0. 4 %～2 %以內,嵌巖樁的深度應滿足受力要求。
(4) 為了保證混凝土的耐久性,橋墩基礎一般采用C30 混凝土,墩柱身采用C35 混凝土,蓋梁采用C40 混凝土,預應力結構采用C50 混凝土。墩柱及蓋梁主筋凈保護層一般采用5 cm ,柱基主筋凈保護層采用7 cm。
(5) 跨越道路而采用門式墩時,設計軸線優先考慮順道路法線方向。
重慶跨座式單軌交通線中采用的典型墩柱形式有下面的幾種:
(1) T 形獨柱墩 這是重慶輕軌工程中應用最多的墩柱形式。應根據結構分析計算結果和各項控制標準確定墩柱截面尺寸,同時根據上部軌道梁支座的構造尺寸及預埋件構造要求確定蓋梁的構造尺寸。一般墩高小于1. 5 m 位于半徑大于等于1 000 m 曲線及直線上的橋墩采用1. 6 m ×1. 6 m 方形截面,位于半徑小于1 000 m 曲線的橋墩采用1. 7 m ×1. 7 m 方形截面,墩高15～25 m 時采用1. 8 m ×1. 8 m～2. 2 m ×2. 2 m 方形截面,蓋梁高度均采用1. 4 m。見圖3。
(2) 倒L 形獨柱墩— 由于受平面位置限制, 當線路中心與墩柱中心有偏距且偏距較小時,設置倒L 形獨柱墩。其墩柱與線路中心線的偏心距離為0. 5～1. 2 m。墩身截面尺寸根據墩高計算確定,蓋梁高度一般采用1. 7 m。見圖4。

圖3 　T 形獨柱墩
　　(3) 大偏心預應力拉桿式倒L 形墩 為避免輕軌線路在跨越較窄道路時設置門式剛架墩,可在道路兩側采用大偏心預應力拉桿式倒L 形墩。橋墩最大凈偏心距離為2. 75 m。蓋梁和拉桿均加設預應力,墩柱采用2. 2 m ×1. 5 m 矩形截面,拉桿采用2. 2 m ×0. 8 m 矩形截面,蓋梁高度采用2. 0 m。見圖5。

(4) 門式剛架墩
當輕軌線路跨越較寬的城市道路又不能在道路中間設置橋墩時,可設置門式剛架墩。剛架跨度在15 m 以下時可采用鋼筋混凝土結構,剛架跨度大于15 m 時可采用預應力鋼筋混凝土結構。見圖6。
墩柱設計時除了要考慮本身的構造外,還要考慮其它附屬結構物的設計,如墩柱內避雷器系統預埋管道及信號接地極的安裝、PVC 排水管道,廣告燈箱電線預埋管、饋線上網裝置預埋件等。蓋梁內則需要考慮支座錨箱及固定支架的安裝、支座錨箱排水管道安裝、通信信號系統預埋件、供電環網電纜預埋件、避雷器預埋件等。

圖5 　大偏心預應力拉桿式倒L 形墩
5 　結語
跨座式單軌技術復雜,對高架軌道梁橋的設計和施工精度要求都很高,結構設計需要很多控制點的精確平面座標、高程及方位角來保證精度,因此應該充分認識到設計的復雜性。另外,高架軌道梁圖4 　倒L 形獨柱墩橋的設計與線路、排水、照明、牽引供變電、通信各
專業接口關系也較為復雜,需要全面統籌考慮。

圖6 　門式剛架墩

參　考　文　獻
1 　張波,孫章. 大力發展現代化輕軌交通. 城市軌道交通研究,2001 , (4) :51
2 　鐵道第一勘察設計院. 重慶輕軌較新線一期工程施工圖設計. 2001
3 　王根芳. 關于重慶市軌道交通規劃和近期重點建設項目的研考. 重慶建設,2002 , (12)