2019创新项目推广 | 城市轨道交通长大区间预制节段拼装全刚构体系桥梁综合技术

随着城市化进程的加速，更多的高架线路即将涌现，国内众多城市包括广州、福州、长沙、郑州等均存在轨道交通和市政采用全刚构体系桥梁的情况。城市轨道交通长大区间预制节段拼装全刚构体系桥梁综合技术可为其它城市轨道交通线路中的长大区间高架线路建设提供绿色、环保、安全、高效及经济的借鉴，并可减少国内其它类似方案的研究时间，避免其它类似线路在设计无支座体系连续刚构时因经验不足而引起的风险,节省大量人力、物力的投入，具有良好的经济效益。

本创新推广项目以城市可持续化发展为目标，从城市空间、城市景观、绿色建造、环境保护、行车安全舒适、降低运维成本，多维度着眼，创新性地在国内轨道交通领域首次提出长大区间高架桥梁全部采用大跨度全刚构体系桥梁设计建造技术，为城市轨道交通提供了新的解决方案。

本创新推广项目的综合技术研究成果通过示范工程予以验证，结构体系、建造方法及建设经验值得借鉴，其成果具有行业引领意义和广泛应用前景。具有良好的经济效益。

本创新推广项目以城市可持续化发展为目标，从城市空间、城市景观、绿色建造、环境保护、行车安全舒适、降低运维人力成本等方面着眼，创新性地在国内轨道交通领域首次提出长大区间高架桥梁全部采用大跨度全刚构体系桥梁设计建造技术，为城市轨道交通提供了新的解决方案。本项目的综合技术研究成果通过示范工程予以验证，成果具有行业指引意义和广泛应用前景。

本项目的关键技术和创新点如下：

1）首次在轨道交通长大区间大规模采用单薄壁全刚构体系桥梁。

长大区间桥梁采用40m大跨度结构，给城市地上、地下的交通走廊留出更大的发展空间。景观效果详见图1。

图1 无支座预制节段拼装单薄壁连续刚构

2）在传统箱梁的基础上，优化截面尺寸。

本项目大大减少梁底宽，加大腹板斜率；上部减重，与下部流线型桥墩，线型顺接，结构更为轻巧，具有明显的景观效果，且通过连续刚构体系，发挥了材料的最大效率，保证结构的安全可靠。下部桥墩构造详见图2，预制梁断面详见图3.

图2 桥墩横向变宽与墩高配比

图3 1/2标准节段       1/2过渡节段

3）在长大区间全刚构体系全部取消支座。

设计通过精细化设计，平衡上下部刚度与温度及预应力等作用，实现免除支座维护，大大降低运维成本的目标，具有长期的经济效益。

4）在装配技术的基础上，中墩零号块设置20cm湿接缝、张拉预应力连续束，实现预制节段先简支后连续成桥。

通过节点的特殊构造设计，后浇边墩顶横隔梁，实现边墩固结，减少预应力二次效应对桥墩的不利影响，保证结构传力的安全可靠。结构划分见图4。

图4 无支座全刚构体系结构划分图

吊装阶段：高位张拉整孔节段梁简支束后，主梁起拱，两端端节段将承受整跨节段梁重量，约580吨。通过建立实体有限元模型，研究吊装工况下端节段梁的受力性能。

图5 现场吊装及高位张拉简支束

由分析可知，在主梁自重作用下，Gd类节段最大应力为14.4MPa，发生在顶板与腹板内侧相交的腋角处，靠近梁端侧。D类节段最大竖向应力为21.6MPa，发生在底板腋角与横隔板交界处，分析结果详见图6。 

图6 自重作用下Gd类及D类节段应力云图（Pa）

D类节段与边墩连接，在横隔板墩顶范围内设置后浇带，简支束张拉完成后再落架，待全桥预应力张拉完毕后，最后浇筑后浇带进行墩梁固结，即释放了预应力钢束对边墩产生的二次内力。明确后浇段钢筋配置原则：a）顶板纵向、底板纵向水平钢筋---因预应力钢束作用需要扩散一定距离，故预应力无法作用到梁端横隔板范围。顶底板纵向钢筋主要用于承担梁端弯矩，并承担顶底板接触面传递的剪力。b）横隔板水平钢筋---横隔板横向水平钢筋主要用于承担预制部分与后浇混凝土部分接触面传递的剪力。边墩后浇带钢筋配置详见图7。

图7 边墩后浇带钢筋配置

边墩落梁工况下端节段钢筋构造研究难点：通过BIM设计技术，发现常规设计的预制端节段纵横向水平钢筋与桥墩竖向钢筋、预埋在桥墩内的竖向排水管发生碰撞，存在落不了梁带来的施工风险。边墩钢筋避开排水管的构造详见图8。

图8 边墩钢筋避开排水管的构造 

图9 采用钢管模拟桥墩钢筋

解决方案：a)在梁场采用定位卡槽，并采用钢管模拟桥墩钢筋和排水管，保证在梁场预制时，完全避开。b)横向水平受冲突钢筋调整为U型钢筋。解决措施详见图9。

5）是预制节段拼装架桥技术第一次大规模运用在连续刚构桥梁体系中，确定了节段梁环氧树脂粘结剂材料性能及检测标准、并形成了三维控制、梁场预制、节段拼接、安装架设、连续成桥全套核心关键技术。环氧树脂粘结剂材料性能及检测标准详见表1。

表1 环氧树脂粘结剂材料性能及检测标准

高架线路以其投资经济、施工周期快、施工难度低、运营成本低、线路适应性良好、并且提供了流动的风景线等优点，逐渐在城市轨道交通建设中得到越来越广泛的运用。预制节段拼装箱梁由工厂化生产，节段内外质量优；节段梁重量轻、体积小巧、运输架设较为灵活；节段梁很好地适应曲线线路，外观流畅，景观效果好；节段梁对预制场地要求不高，不需要大型吊装设备。无支座连续刚构桥的桥墩与主梁固结，无支座维护，维养成本低。

广州十四号线、广州二十一号线、福州至长乐机场城际铁路工程高架区间装配率达到了70%。

经过综合比较，采用节段预制拼装工法的无支座全刚构体系桥梁，可节约钢筋、水泥等主要建材15%，减少工地建筑尘埃排放量50%，由于工程建设引起的社会问题减少90%，并实现了“由工地到车间，由建造到预制，由农民工到产业工人”的转变。

城市轨道交通长大区间预制节段拼装全刚构体系桥梁综合技术研究与应用，主要特点：

1）提出长大区间单薄壁连续刚构桥梁体系，是预制节段拼装架桥技术第一次大规模在连续刚构桥梁体系中运用，形成了材料性能、三维控制、梁场预制、节段拼接、安装架设、连续成桥全套核心关键技术。

2）首次进行了轨道交通全刚构体系桥梁结构行车安全舒适性进行研究，通过风车桥耦合振动分析指导设计，并保证桥上列车运行的安全性、平稳性。

3）首次进行了轨道交通全刚构体系桥梁结构噪声预测研究，并提出了多专业参与的综合减振降噪技术措施。

本着立足于工程实际，以解决第一线的工程难点为主攻方向，在查证当时国内外暂无城市轨道交通长大区间全刚构体系桥梁的工程实例的情况下，积极进行科技创新，创新成果成功应用于广州市轨道交通十四号线、广州二十一号线高架区间工程中，该项科技创新成果由广东省土木建筑学会组织科技成果鉴定，鉴定结论 “标准段4x40m无支座全刚构体系桥梁综合技术”已达到国际领先水平，主要创新点如下：

城市轨道交通长大区间预制节段拼装全刚构体系桥梁综合技术对社会经济发展和科技进步有着重大的促进作用。本创新推广项目的综合技术研究成果通过广州市轨道交通十四号线示范工程予以验证，成果具有行业指引意义和广泛应用前景。

1）经济发展

广州十四号线国际上首次长大高架区间采用无支座连续刚构体系桥梁，建成运营，对广州市轨道交通线网的形成具有重要意义。

广州十四号线高架区间的成功建成，大大提高了市区人口的出行能力，缩短出行时间。拓宽城市产业发展空间，改善了广州市的投资环境，为招商引资创造有利条件。建成的广州十四号线将加快沿线的土地开发，提高沿线土地价值；及早促成规划意图的实施，使得建设依照规划，有序健康发展。

2）技术进步

在国际上率先成功实现长大区间无支座连续刚构体系桥梁，为后续类似工程提供了大量的指导性依据。

随着中国城市化进程的加快，城市交通面临越来越大的压力。城市轨道交通作为一种快捷、准时、运量大及不产生污染的绿色交通运输方式，符合可持续发展的原则。

随着国家对城市公共交通基础设施投入的不断加大，国内城市轨道交通工程的规划及建设迅速发展，大量城市已完成自身的轨道交通线网规划，部分城市轨道交通的建设已形成线网。随着城市人口的增加、城市规模的扩大，城市规划及交通规划会作出相应调整，轨道交通线网也将跟随城市形态的变化不断调整完善，涌现新的规划外围发展组团，其与城市中心的联系越来越紧密，这也使得城市轨道交通外围连接线路的数量急剧增加。为节约造价，也将较多采用长大区间的高架线路。

如何解决景观、噪声、绿色建设、预留城市发展空间是高架线路建设必须面对的问题。国内各大城市在建设轨道交通过程中一直致力于寻求一个更好的解决方案。从现浇25m连续大箱梁、现浇30m简支大箱梁、整孔预制30m简支小箱梁、整孔预制30m简支大箱梁、预制节段拼装30m简支大箱梁、整孔预制单线U梁、节段预制拼装双线U梁，都从梁型、工法等方面研究想办法。

本项目以城市可持续化发展为目标，从城市空间、城市景观、绿色建造、环境保护、行车安全舒适、降低运维成本，多维度着眼，创新性地在国内轨道交通领域首次提出长大区间高架桥梁全部采用大跨度全刚构体系桥梁设计建造技术，为城市轨道交通提供了新的解决方案。

目前，国内无支座预制拼装连续刚构桥仅有广州、香港及澳门有建成通车线路，其他城市如福州、长沙、郑州正在进行无支座连续刚构桥梁的设计。

无支座预制节段拼装单薄壁连续刚构桥能提高地铁科学技术含量，技术成熟后更能有效保证工程质量、节约资源和降低成本。在未来的地铁建设中，该结构体系具有强大的生命力，将占据十分重要的地位。

国际上，一般铁路或轨道交通桥梁，大部分采用有支座的梁桥。在常规简支梁或连续梁设计中，支座连接上下部结构，但是支座在使用过程中因设计、施工及材料老化等原因，容易发生病害，维护不及时会严重威胁桥梁的使用安全。而更换支座，必然导致线路停运，这不但影响正常运营，消耗大量资源，而且作业过程本身也会给上部结构带来不同程度的损伤。全刚构体系桥梁为全部与主梁固结，无支座维护，耐久性好，易维护，维养成本低，能够彻底免除常规桥梁运营后期大量支座检测及维养工作，节约了支座安装与桥梁维养费用，具有强大的生命力，将占据十分重要的地位。

传统梁式桥（简支梁、连续梁及一般连续刚构桥）主要存在以下缺点：

1）简支梁：跨度有限；上、下部分离受力，无法协同；每个桥墩均为制动墩，尺寸较大；行车舒适度一般；桥墩均有支座维护；景观较差。

2）连续梁：跨越能力优于简支梁；上、下部结构分离受力；每联需设置有制动墩，尺寸较大；所有桥墩均有支座；景观性差。

3）一般连续刚构桥：主墩与主梁固结，边墩与主梁分离，在边墩设置支座解决温度伸缩变形，未完全解决支座维护工作的问题。

综上所述，相比于传统梁式桥，全刚构桥梁体系桥墩全部与主梁固结，无支座，结构新颖，结构体系耐久性好，易维护，维养成本低，值得推广。

本项目首次提出城市轨道交通长大区间全刚构体系桥梁方案，通过全面深入的研究论证，项目的综合技术研究成果全面、详实、创新，顺利保障了广州轨道交通十四号线一期工程的建成通车，为后续线路提供参考，在预留城市发展空间、创造城市景观、绿色建造、环境保护、行车安全舒适、降低运维成本等方面取得了预期的效果；同时有效支持了国家有关标准（规范）的制定，具有良好的经济效益。

十四号线一期工程的建设为服务于从化市与中心区的快速联系，以解决从化到广州中心组团的交通需求为重点，兼顾白云区、从化区沿线组团、发展引导的功能。落实城市“北优”发展战略，引领人口沿北部产业发展带向外转移，促进城市经济可持续化发展的需要，回归了轨道交通线网规划，取得了显著的经济、社会、环境效益。

我国正处于建设资源节约、环境友好型社会的大环境下，采用预制节段拼装造桥技术，对于形成节约资源和保护环境的产业结构有着积极意义的。

随着城镇化进程的发展，城市高架道路桥梁、城市轨道交通桥梁的建设越来越多，工程环境的要求对施工制约条件越来越苛刻，快速施工的必要性也越来越大，尤其在交通繁忙的市中心区建造桥梁，要求对交通产生的影响须最小，建设周期要短，故对桥梁构件质量提出了更高要求，而方便快捷、环保性好、维护量少的无支座预制节段拼装连续刚构桥梁在上述各方面具有很大的优势，将会得到更加广泛的推广应用。

预制节段拼装单薄壁连续刚构桥，无支座，易维护，绿色环保施工；连续刚构采用较大跨度，梁型轻巧、纤细，空间通透，景观较优，在轨道交通高架桥梁的市场上极富竞争力，为我院在全国各地推广无支座连续刚构桥提供强力的技术支撑。

本项目研究依托轨道交通十四号线一期工程的建设，研究成果转化指导建设，项目的建成，取得了显著的经济、社会、环境效益。

经过综合比较，采用节段预制拼装工法的城市轨道交通长大区间无支座全刚构体系桥梁，可节约钢筋、水泥等主要建材15%，减少工地建筑尘埃排放量50%，由于工程建设引起的社会问题减少90%，并实现了“由工地到车间，由建造到预制，由农民工到产业工人”的转变。

（内容来自中国土木工程学会轨道交通分会，如有转载请标明出处）