南京地铁南北线一期工程高架区间桥梁设计

摘　要　南京地铁南北线一期工程高架区段首次在国内采用了预应力混凝土连续梁的型式。本文介绍了桥梁设计情况并讨论了纵向水平力的组合及对墩台设计的影响, 给出了结构计算结果。
南京地铁南北线一期工程南起小行,北至迈皋桥,全长16. 9 km ,共13 座车站,目前已开始修建, 预计2005 年建成通车。该线安德门站至外秦淮河区段、东井亭至迈皋区段以及小行车站与国铁接轨区段,均为高架桥结构,总计长度4. 249 km。高架桥标准段采用预应力混凝土连续梁结构,满足了列车在高架结构上高速、安全的运营需要,以及对结构强度、刚度和稳定性等方面的要求。
1 　高架区间自然地理状况及设计条件高架区间的走向基本沿既有或规划城市道路中央分隔带行进,在道路交叉口以大跨结构跨过。全线桥高5～12 m。根据线路需要,桥梁分为单线、双线及三线。
经工程勘察揭示,沿线路走向的浅部土层工程地质变化较大,表层为松散的杂填土,以下依次为粘土、素填土、粉质粘土、粉土、卵砾石及风化程度不一的砂质泥岩等。基岩埋深由南向北逐渐较深, 为9～40 m 不等。主要持力层的卵砾石承载力为250～350 kPa ,极限侧阻力为70～80 kPa ,强风化及微风化砂质泥石岩承载力为400～1 500 kPa 。线路所在地区的地震强度为7 度。南京地区气候带属北亚热湿润气候,四季分明,年平均气温15. 3 ℃,最热日平均气温27. 3 ℃, 最高气温达43 ℃,最冷日平均气温1. 8 ℃,最低气温达- 9. 3 ℃。
2 　高架桥梁结构的选型
城市轨道交通高架桥梁的选型,首先应满足列车安全行驶的功能要求;其次要考虑结构合理、经济实用,并结合城市规划、道路交通、周围环境、市政管线、施工方法等一系列因素,选择合理的桥梁结构。
2. 1 　孔跨确定
桥梁孔跨的选择应根据结构要求、城市景观、施工技术和美学等条件来综合考虑。鉴于高架结构平均高度为8 m 左右,因此跨度采用20～30 m 为宜。经比较,最后选择标准跨度为25 m。另外, 为了与并行的既有城市道路高架桥孔跨协调一致, 局部地段采用20 m 跨度。
2. 2 　结构形式
桥梁结构形式的选择,与结构承受车辆荷载的内力、变形,特别是无缝钢轨与梁的相互作用内力分析有着极其重要的关系。目前我国城市轨道交通高架桥结构一般考虑简支梁和连续梁形式。而前者在上海轨道交通明珠线高架桥的运用取得了成功的经验。简支梁的受力明确,受无缝钢轨因温度变化产生的附加力、特殊力的影响小,设计、施工易标准化、简单化;但其梁高较大,景观稍差,行车条件也不如连续梁。连续梁结构与同等跨度的简支梁相比,可以降低梁高,节省工程数量,有利于争取桥下净空,并改善景观;其结构刚度大,具有良好的动力特性以及减震降噪作用,使行车平稳、舒适, 后期的维修养护工作也较小。从城市美学效果来看,连续梁造型轻巧、平整、线条流畅,将给城市增色不少。但连续梁对基础沉降要求较严,特别是由于联长较大,桥上无缝钢轨因温度变化而产生的水平力很大,使得梁体与墩台之间的受力十分复杂, 加大了设计难度。
根据南京地铁工程地质条件较好的情况,经综合考虑,采用连续梁结构作为高架区间的标准型式,其标准跨度为3 ×25 m 及4 ×20 m。
2. 3 　梁部截面形式
在设计比选中,分别考虑了箱形梁、组合箱梁、T形梁、空心板梁等可采用的梁型。其中T 形梁和组合箱梁最为经济,其预制、运输、架设方便,但美观较差,并且徐变变形大,对于无缝线路整体道床轨道结构形式来说,存在着后期维修养护工作量大的缺点。槽形梁造型轻巧美观,但需要较大的技术储备才能实现。相比之下,箱形梁抗扭刚度大,整体受力和动力稳定性能好,外观简洁,适应性强,在直线、曲线、折返线及过渡线等区间段均可采用,且施工技术成熟,造价适中。因此,结合工程沿线的环境特点及南京的施工条件,选择了单箱、单室等截面斜腹式箱梁。箱形截面的主要尺寸见表1 ,其外型见图1。
表1 　箱形截面主要尺寸表cm
项目双线单线25 m跨度梁高140 140 20 m跨度梁高120 120 顶板宽900 520 底板宽440 220 顶板厚18 18 底板厚20～30 20～30 腹板厚30～40 25～35
图1 　高架桥梁横断面图
2. 4 　墩台及基础
高架桥墩柱的型式与梁高、墩高、梁宽、桥下道路、规划用地、作用荷载及地震烈度等因素有关。南京地铁高架桥结构一般位于城市道路中央分隔带上,因此在满足结构安全的前提下,尽量采用轻巧、线条流畅的结构,增加桥下行车和行人视觉的通透感非常重要。经与城市规划部门等单位的多次研究比选,参考国外有关实例,最终确定全线采用独柱T 形墩。它具有满足结构受力要求、占地面积小、轻巧美观、线条流畅的优点。其单线墩身截面尺寸为1. 5 m ×1. 5 m ,双线为1. 5 m ×2. 0 m。
根据地铁线路经过区间的工程地质中基岩埋深变化较大的特点,以及桥上整体道床无缝线路对桥墩的水平位移和沉降量控制非常严格的要求,高架桥全线采用挖孔桩和钻孔桩两种基础形式。桩基穿透强风化及中风化岩层,以微风化粉砂质泥岩为桩基持力层。挖孔桩具有施工方便、机具较少、造价低、环境污染小等优点。考虑到施工的可行性,桩长20 m 以内采用挖孔桩,桩径1. 3 m;桩长20 m 以上者采用钻孔桩,桩径1. 0 m。
3 　荷载及结构受力计算
3. 1 　主力
主力荷载为恒载、车辆活载、列车离心力、桥上挡板与接触网荷载、基础不均匀沉降、钢轨伸缩力及挠曲力等。
其中: 车辆荷载采用动- 拖单元车,按6 节车辆编组,车辆轴重( P) 为160 kN。相邻基础的不均匀沉降差按1. 0 cm 考虑。
钢轨伸缩力系由梁轨在温度变化时,产生不同的位移变形而产生。钢轨固定区的伸缩力较小,而在伸缩区内的数值很大。经计算,单根轨伸缩力最大值达到280 kN ,成为桥墩设计的主要控制因素。挠曲力由梁体受载挠曲时梁轨发生相对变形而引起,单根轨最大计算数值为50 kN。
3. 2 　附加力
附加力主要包括制动力(牵引力) 、列车横向摇摆力、风力、温度力等。其中制动力(或牵引力) 按竖向净活载的15 %计算,但当与离心力或冲击力同时计算时按竖向静活载的10 %计算。箱梁温度力( T0 ) 按温差单向及双向组合计算。单向时T0 = 20 ℃;双向组合时T0 = 16 ℃。箱梁降温温差按- 10 ℃计。
3. 3 　特殊荷载
本高架区间的特殊荷载主要为地面汽车撞击