城市轨道交通桥梁设计与施工

城市轨道交通桥梁设计与施工吴定俊、李奇同济大学桥梁工程系2010.1.23主要内容世界各国城市轨道交通发展简介1城市轨道交通桥梁的主要特点2城市轨道交通桥梁结构与构造4城市轨道交通桥梁施工与制造5城市轨道交通桥梁技术发展展望6城市轨道交通桥梁设计荷载与设计标准3世界各国城市轨道交通发展简介1几个名词•城市轨道交通–泛指在城市中沿特定轨道运行的快速大、中运量公共交通，其中包括了地铁、轻轨、单轨铁路、有轨电车以及磁悬浮铁路等多种类型–一般来说，现代的城市轨道交通必须具有以下五个条件：•大众运输系统•位于一个城市之内•以电力或柴油为动力•运行于特定轨道•班次相对密集几个名词•地铁与轻轨–《城市快速轨道交通工程项目建设标准》（1993）•单向运能每小时5万人次以上为第I等级，3~5万人为第II等级，此两种合称地铁•1~3万人次为第III等级，称为轻轨–《城市轨道交通工程项目建设标准》（建标104-2008）•4.5万人次以上为第I级，2.5~4万人次为第II级，这两个等级在该标准中被描述为“传统意义上的‘地铁’”•第III等级和第IV等级单向运能分别为1.5~3万人次和1~2万人次，具体区别在于第IV等级可以有部分平交道口–国际标准•专用路权的为地铁，开放或半开放路权的为轻轨几个名词•铁路与轨道交通–投资主体和经营管理主体不同•近郊线和远郊线–站间距、最高速度、供电制式不同城市轨道交通列车•按照国际标准，城市轨道交通列车可分为A、B、C三种型号，分别对应3米、2.8米、2.6米的列车宽度•地铁列车的动力是分散布置的城市轨道交通技术•铝合金或不锈钢车体•先进的交流传动系统（VVVF）•微机控制的电空联合制动系统•数字化轨道电路或CBTC系统，具有完善的ATC（ATS、ATP、ATO）系统•无人售检票系统（AFC)•无人值守供电系统•各种车站先进设备，安全设备系统城市轨道交通发展概况排名国家轨道交通长度（km）站台数目最早启用年份1美国1747.3103718702中国1021.165419693日本803.172219334西班牙642.455519195英国533.138618636韩国482.247719747俄罗斯446.828119358德国446.448419029法国345.9477190010巴西257.51951974各国城市轨道交通统计列表（截止2009年年底）城市轨道交通发展概况排名城市已建轨道交通长度（km）近期规划轨道交通长度（km）最早启用年份1上海31987719952北京22856119693广州15560019974大连86.714520045天津71.622019846长春31.99420027深圳25.3245.420048南京21.761720059重庆19.2513200510武汉10.2222.82004我国城市轨道交通统计列表（截止2009年年底）城市轨道交通发展概况•我国城市轨道交通建设概况–在建城市•沈阳、成都、杭州、西安、苏州、宁波–在建线路•15个城市1130km–另有18个城市正在进行轨道交通建设前期工作：•青岛、郑州、厦门、东莞、昆明、长沙、乌鲁木齐、南宁、济南、兰州、太原、福州、合肥、无锡、贵阳、烟台、石家庄等城市。DC750V三轨受流轮轨式地铁、高架系统（北京地铁车）轻轨:上海轨道交通5号线（莘闵线）DC1500V线性电机系统（东京）北京地铁机场线（线性电机系统）DC1500V跨坐式胶轮单轨系统DC1500V自动导向无人驾驶系统——北京机场第三航站楼无人驾驶系统上海浦东磁浮线上海磁悬浮德国乌伯塔市1901年在河上修建的悬挂式单轨（全长13.3km）日本千叶市的悬挂式单轨城市轨道交通桥梁的主要特点2安全性、舒适性与设计刚度•主要采用轮轨接触，冲击大，轮轨之间的蛇行产生横向力，桥梁设计时，要考虑横向刚度、竖向刚度和列车安全性和舒适性•由于城市轨道交通车速地、车辆性能好、荷载轻，故对桥梁的刚度要求比货运铁路和高速铁路低对环境的影响•设置防噪屏障•设置减振降噪轨道结构及支座，降低噪声与环境振动•考虑在制造、运输中对环境的影响•重视景观设计•目前主要在市郊采用捷克古教堂因交通振动而产生的裂缝对环境的影响•环境振动对策–振源强度控制•无缝线路•车辆设计•道床弹性（5～8dB）•钢轨平顺性•桥梁结构的自振频率•基础形式•减隔振支座•..….对环境的影响•环境振动对策–传播路径控制•弹性基础隔振•隔振沟隔振结构构造•建筑高度低–槽形梁、下承式脊梁式结构•桥面宽度–一般考虑单线、二线、三线及以上很少考虑–大跨度桥梁确定桥面宽度时，往往由所需要的桥梁横向刚度确定，而不是由线数确定城市轨道交通桥梁设计荷载与设计标准3设计方法•我国–容许应力法•容许应力法基本假定–平截面假设–弹性体假设–受拉区不参加工作设计方法•钢筋和混凝土容许应力的确定材料的极限强度除以安全系数K。砼容许应力5.2KKRac钢筋容许应力7.1KKss设计方法•容许应力法设计与检算的基本步骤根据1基本假设，钢筋混凝土被看作两种材料组成的截面，其中混凝土受拉区不参加工作，然后利用材料力学中换算截面的原理，将钢筋换算成混凝土材料，即构件的截面由受压区混凝土和钢筋的换算截面组成，根据材料力学求截面重心轴、惯性矩、最大压应力和最大拉应力，验算：maxcmaxtccmaxttmax设计方法•抗弯构件计算（1）求中心轴)(2102xhnAbxg求出受压区高度，hgEEn（2）求惯性矩2030)(31xhnAbxIg（3）求混凝土应力chxIM0（4）求钢筋拉应力sgxhIMn)(00荷载分类荷载分类荷载名称恒载结构自重附属设备和附属建筑自重预加应力混凝土收缩及徐变影响基础变位的影响土压力、静水压力及浮力主力活载列车竖向静活载列车竖向动力作用列车离心力无缝线路纵向水平力人群荷载列车活载产生的土压力荷载分类荷载分类荷载名称附加力列车制动力或牵引力列车横向摇摆力风力温度影响力流水压力特殊荷载无缝线路断轨力船只或汽车的对撞力地震力施工临时荷载荷载组合–仅考虑主力与一个方向附加力组合–根据不同组合，将材料基本容许应力和地基容许承载力乘以不同的系数列车静活载•《地铁设计规范》–竖向静活载按本线列车的最大轴重、轴距及近、远期中最长列车编组确定–活载图式主要有三种–影响线加载时，活载图式不可任意截取，但对影响线异符号区段，轴重按80kN计–双线不折减，双线以上按两线加载或三线加载乘以75%折减系数后取较不利情况考虑地铁B型140KN2.2m2.35m140KN2.2m2.35m140KN140KN10.4m19.5m110KN110KN110KN110KN1.95m2.2m8.6m2.2m1.95m15.8m2.3m2.5m13.2m2.5m2.3m160KN160KN160KN160KN22.8m地铁A型地铁轻轨型车辆设计荷载设计轴重（KN）均布密度车辆设计荷载编组满载空载满载（KN/m）使用情况A型8辆1609028.10上海一号线B型6辆1408028.71汉城轻轨型8辆1107027.85莘闵线不同车辆载重引起的桥梁跨中弯矩（KN*m）地铁A型地铁B型轻轨型计算跨度L（m）2LM比值2LM比值2LM比值1063210056789.754486.1202063100183488.9163979.4303663100341693.3316886.54057521005774100.4573599.75088801009212103.78987101.2不同类型荷载引起桥梁跨中弯矩比较：因A型集中轴重较大，因此在跨度小于30m的桥梁跨中弯矩要超过另外两类10%～20%。动力系数•冲击系数μ按现行《铁路桥涵设计基本规范》规定的值乘以0.8•局部冲击系数（U形梁）无缝线路引起的纵向水平力•伸缩力–由于温度变化，钢轨的位移受到桥梁的部分约束而产生的纵向力•挠曲力–在竖向荷载作用下，由桥梁挠曲引起引起钢轨与桥梁之间的错动所产生的纵向力•断轨力–长钢轨折断引起桥梁与钢轨的相对位移而产生的纵向力。•上述三种作用力均作用于墩台上。主要设计标准跨度挠度容许值L≤30mL/2000L30mL/1500梁式桥跨结构竖向挠度容许值《地铁设计规范》•竖向刚度限值主要设计标准•横向刚度限值梁跨结构横向自振频率不小于HzL90，L为桥梁跨度（m）墩顶横向刚度静位移（按规定的横向力计算）顺桥方向)(5mmL横桥方向)(4mmLL——桥跨跨度（m）；不等跨时，采用相邻跨中较小跨度，当L25m时取25m计算。——桥墩顶面处顺桥或横桥方向水平位移（mm），包括由于墩身和基础的弹性变形及基底土弹性变形的影响。主要设计标准桥墩墩顶纵向水平线刚度限值（双线）《地铁设计规范》跨度L（m）最小水平刚度（kN/cm）附注L≤20240不设钢轨伸缩调节器20＜L≤30320不设钢轨伸缩调节器30＜L≤40400不设钢轨伸缩调节器•纵向刚度限值地铁规范存在的问题：纵向刚度限值与高速铁路标准接近，但地铁制动力和挠曲力要小；目前设计中感到困难较大的是双线墩的设计，主要是规范中最小限值定得太严，有放松的可能。墩数(个)墩高范围（m）墩纵向刚度（kN/cm）规范值（kN/cm）墩纵向刚度/规范值65.231-5.73128532089.1%46.231237.124098.8%106.231-6.331234.432073.2%16.431226.124094.2%76.431-6.831215.832067.5%67.131-7.531184.232057.6%17.531176.324073.5%47.631-7.731170.732053.4%27.931-8.031160.124066.7%48.131-8.431150.432047.0%29.231-9.931116.232036.3%110.53197.532030.5%211.031-11.53185.524035.6%111.93176.732048.0%112.43170.732044.2%江弯镇站至长江路站间部分简支梁双柱墩的墩顶纵向水平线刚度墩高（m）桩长（m）桥梁跨度（m/m）墩纵向刚度（kN/cm）规范值（kN/cm）墩纵向刚度/规范值13.43720/3015016093.75%13.43830/21.215216095%13.63830/2014516090.6%13.13820/28.915616097.5%宝山路站至溧阳路站独柱墩的墩顶纵向水平线刚度主要设计标准•基础沉降要求–对静定结构，墩台均匀沉降量50mm；相邻墩台不均匀沉降差20mm–对超静定结构，根据沉降对结构产生附加影响来确定–桩基设计一般按沉降量控制•徐变要求–要求预应力混凝土梁在线路铺设后，徐变拱度或挠度不宜大于15mm城市轨道交通桥梁结构与构造4桥面系构造•碎石道碴桥面•整体道床桥面•承轨台桥面•梯形轨枕•明桥面不用碎石道碴桥面整体道床桥面整体道床桥面承轨台桥面完工前承轨台桥面（完工后）梯形轨枕常用结构形式•整体箱梁–上海明珠线采用，有一箱二室、二箱二室等–优点：整体性好、抗扭抗弯刚度大–存在问题：噪音大•槽形梁–上海6号、8号线、11号线采用–优点：建筑高度低，隔音性能好–存在问题：施工，耐久性•脊梁式–大连市•其它型式T梁、板梁，不多用上海明珠线高架桥的几种布置方式加拿大斯卡勃罗的双槽形梁截面上海轨道交通6号线槽形梁截面上海M8号线南延伸段U形梁加拿大CalgaryLRT系统高架桥脊梁式截面城市轨道交通桥梁施工与制造5六号线赵家沟桥•工程概况–上海市轨道交通6号线赵家沟大桥主桥位于轨道交通6号线高架区间东靖路车站至巨峰路车站之间，为城市轨道交通与道路交通合建的公轨两用桥梁–桥梁横向布置为城市道路双向六快两慢车道＋轨道交通双线，桥面总宽51.6m–采用1孔下承式钢筋混凝土双提篮系杆拱桥，拱肋拱轴线在拱轴平面内为二次抛物线，拱肋理论计算跨径为L