东莞市快速轨道交通R2线高架桥梁设计探讨

东莞市快速轨道交通R2线高架桥梁设计探讨摘要：轨道交通是交通网络建设的重要组成部分，桥梁的安全及耐用等性能，关系着城市经济发展水平。本文根据工程案例，对高架桥的结构形式及连续箱梁的设计进行探讨。关键词：高架桥；连续箱梁；结构设计中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：一、工程概况东莞市快速轨道交通R2线全长37.8km，其中高架桥梁段长3.7km。高架桥梁主要沿既有道路路中敷设，设有1座高架车站。二、高架桥结构形式的确定（1）下部结构形式的选择基础类型的选择a.持力层的选定从地质勘察揭示的地层来看，中等风化含砾砂岩层可作为桩基的持力层，该层顶埋深15.123m，厚层至巨厚层状构造，岩石饱和极限抗压强度fr=1.72MPa12.5MPa，标准值6.61MPa，质较软。分布较稳定，呈密实状态，可作为桩基的持力层。b.沉降量控制由于采用的整体道床和无咋轨道，桥梁地基对沉降比较敏感，整体道床和无咋轨道对可调整量又控制得非常严格，因此，我们对桥墩的沉降值提出了严格的要求，即绝对沉降量不大于30mm，相对沉降量不大于10mm。c.桩基形式的选择在城市高架桥梁的建设中，最常见的基础形式就是钻孔灌注桩，且工艺均较成熟。结合工程特点，选定钻孔灌注桩基础作为高架桥梁的基础形式。墩台形式的选择a.桥墩选型原则桥墩除应有足够的强度和稳定性以避免在荷载作用下的过大位移外，对其造型亦有较严格的要求。应特别注意美学设计，使上、下部结构协调一致，轻巧美观，必须使高架桥与城市环境和谐、匀称，方便车辆绕行，通透度要高，以使行人有一种愉快感觉;同时要少占地，还要保证结构具有足够的抗震安全度。b.墩柱形式由于该工程受规划限制，墩柱必须设置在宽仅4m的中央分隔带上，因此选用横桥向花瓣式独柱实体墩，墩身为(1.82.5)m2.4m矩形截面独墩，顶端4m高范围内尺寸为2.0mx4m，通过4m高度范围圆弧过渡，矩形偶角做成圆弧形。(2)上部结构形式的确定上部结构选型原则a.结构设计应满足强度、刚度、稳定性和耐久性的要求，并与周围环境相协调，要安全可靠、经济合理、美观新颖。b.应根据沿线城市道路交通规划，既有道路交通现状，地下管线和工程地质、水文地质等状况，桥梁施工方案应合理可行，并尽量减少对既有道路交通的影响，合理选择桥型及孔径。c.跨平面交叉路口的桥梁应根据相交道路等级、道路横断面形式、交通流量和流向等确定跨越交叉路口段的合理桥型和跨径;桥孔布置应便于交叉路口的交通组织和交通管理，满足车辆转弯时行车路线和行车视距的要求，保证车辆在交叉路口安全、顺畅地行驶。d.桥梁结构应首选耐久性好、工程造价低、行车技术条件优越、能减振降噪的结构，特殊工点桥梁可采用自重轻、跨越能力大的特殊结构形式。桥梁跨径的选择南段的高架桥梁总长度约3.7km,占全线区间长度的9.8%，针对这种长线高架桥梁，宜选用较大的桥梁跨径才能体现比较强的通透感。若跨径过小，必然会墩柱林立，形成视觉上的障碍，且其下部工程量巨大，经济上不合理，工期也较长。但是轨道交通的运行性质又要求轨道梁在活载作用下的挠度变形不能太大，所以主梁在满足强度要求的同时又必须有足够的刚度，因此过大的跨径势必会使轨道梁断面加大，不但景观效果差，而且工程造价亦随之上升。因此选用30m的标准跨径。桥梁结构形式的选择就一般的梁桥而言，其结构形式主要有简支结构和连续结构。简支梁体系属静定结构，受力明确，结构体系简单，工艺成熟，预制和安装方便，在桥梁建设中应用广泛，是一般功能性设计的首选结构体系。收缩、徐变、温度等对结构内力的影响因素小，支座不均匀沉降对主梁内力影响几乎为零，但跨中荷载弯矩效应随跨度增加而迅速增大，材料用量指标也随之增大。此外，因简支梁桥中间墩在纵桥向均为两个支座，使桥墩在纵桥向尺寸较大，也会引起下部结构工程量有所增加。还有，由于结构体系特点，简支梁桥在墩顶的变位线形为折线，但对于城轨线路设计来说也不是难点。简支体系连续梁体系属超静定结构，从受力特性分析可知，中间墩顶主梁为负弯矩，跨中为正弯矩，由于支点负弯矩存在，使得跨中为正弯矩与同跨径简支梁的跨中弯矩比要小得多，正负弯矩图面积大小（绝对值之和）比简支体系要小，对应的材料包络图面积也要小。因此，与简支体系比，材料用量指标相应减小。此外，由于连续梁的弯矩绝对值比同跨径简支梁的弯矩值要小许多，且沿桥向范围内分布均匀，因此，连续梁的主梁的截面高度比简支梁的截面高度可设计的小许多，使得其线形更加优美。这种体系的缺点是对收缩、徐变、温度及支座不均匀沉降反应比简支体系要敏感，每一联设一个纵向制动墩来承受纵向水平地震作用和车辆制动力等纵向水平作用产生的效应，使该墩尺寸较大，且对地基基础条件要求较高。连续梁体系根据以上分析，各结构体系特点如下：经过以上综合比较及结合本线路设计方案和要求，综合考虑经济、施工干扰、现场施工等因素，推荐采用简支体系，重点路段可采用连续梁体系，采用小连续刚构体系作为比选方案。综上所述，选定跨度为30m的斜腹板预应力混凝土简支箱梁桥作为高架桥的标准结构形式。三、预应力混凝土箱梁的设计（1）设计技术标准荷载分类及组合根据轨道交通的特点，较公路、城市桥梁除活载轴距、轴重不一样外，又增加了列车横向摇摆力等。根据结构特性求得主力与附加力的最不利组合，按弹性阶段对结构进行抗裂、应力及变形验算。列车活荷列车采用6辆编组，每节车箱长19.08m，宽2.8m，高3.51m，总长114.5m，轴重14吨，总重336吨。（2）结构设计箱梁构造30m跨标准箱梁为单箱单室截面斜腹板摸圆弧形式，梁高1.8m，高跨比1/17，梁宽9.2m，悬臂长2.3m，腹板斜率3/11，腹板厚度为0.30.45m，顶板厚0.250.4m，底板厚0.250.5m。预应力布置高架桥梁拟采用预制架设法施工，结构采用全预应力结构，根据受力计算，腹板束采用15-15.20预应力钢绞线，底板束采用13-15.20预应力钢绞线。预应力采用夹片群锚体系，钢束规格为低松弛钢绞线，抗拉标准强度为1860Mpa。四、特殊节点设计（1）桥梁总体布置高架段在车站前需从道路路中斜跨到路侧，半幅路面宽16m。由于此处结构物较多，从景观方面考虑，应尽量减少地上门式框架桥墩数量，宜采用大跨连续梁结构，结合周边环境及车站位置，高架采用（39.3+265+39.3）m大跨连续箱梁斜跨既有道路。（2）主要结构设计该桥边跨和中跨比为0.6；中支点梁高为4.5m，其高跨比为1:14.4；边支点梁高为2.4m，其高跨比为1:16.4；中跨跨中梁高为2.4m，其高跨比为1:27.1，梁的高度以二次抛物线方程变化。连续梁采用直腹板式箱型截面，箱梁顶宽9.2m，梁底宽4.8m；中支点处梁高4.5m，边支点处梁高2.4m；边支点和次中支点的支座横向间距采用3.2m，中支点处受既有道路的控制，需采用横跨既有道路的门式框架墩，墩横向跨度为20.9m。门式框架墩采用预应力混凝土结构，因桥下净高受限，梁采用2.5m高2.5m（顺桥向宽）矩形截面。边支点截面为单箱单室直腹板截面，梁宽9.2m，梁高2.4m，悬臂长2.2m。梁底宽4.8m,腹板厚80cm，底板厚60cm，顶板厚50mm。跨中截面截面形式同端部截面，只是腹板、底、顶板厚度不同，其中腹板厚40cm，底板、顶板厚均为35cm。中支点截面为单箱单室直腹板截面，梁宽9.2m，梁高4.5m，悬臂长2.2m。梁底宽4.8m,腹板厚100cm，底板厚100cm，顶板厚65mm。支点处设横隔板，横隔板上留100cm100cm的过人孔。其标准断面形式见图l。a)边支点断面b)中跨跨中断面c)中支点断面图l标准断面形式预应力钢束布置:连续梁桥，混凝受拉区土是结构设计控制因素，而解决负弯矩区混凝土应力的方法很多，该桥则采用施加预应力法。为了控制混凝土收缩、温度变化等因素产生的拉应力，该桥布置了通长束和短束。钢束采用13-15.20预应力钢绞线，钢束规格为低松弛钢绞线，抗拉标准强度为1860Mpa。在顶板上设6束通长顶板束，腹板上设8束通长腹板束。截面上除设有通长束之外，中支点截面设有18束短束，跨中截面设有