U型梁替代箱梁在温州市域铁路S3线与快速路合建中的价值

姜玲超

摘 要：市域铁路与快速路合建，通常地面层为普通市政道路、二层为市域铁路、三层为快速路。在实际应用当中，合建存在以下问题，一是由于市域铁路与快速路的纵坡规范要求不同，市域铁路区间正线最大坡度不宜大于30‰，快速路最大纵坡可达到甚至超过6%，当需要合建短距离上跨或下穿道路时，市域铁路往往纵坡受限;二是高架区间合建段快速路路面与地面的相对标高较大，快速路匝道与地面市政道路连接时匝道延展距离过长。鉴于以上两个问题，本文研究在合建段实行U型梁替代箱梁方案，通过减小梁厚，降低合建段结构高，实现短距离上跨既有道路和缩短快速路匝道下落延展长度。本文以温州市域铁路S3线与快速路合建段为例，经分析比选后，采用U型梁能较好的解决上述问题，对类似工程的设计提供了有效的借鉴。

关键词：市域铁路;U型梁;快速路;合建

1 合建的应用

交通廊道对于每一个城市都至关重要和稀缺，共廊道建设可高效利用紧缺的土地资源，减少征地拆迁和节省大量土建工程费用[1]。市域铁路与快速路共廊道合建，对红线内的交通廊道充分利用，已成为市域铁路主管单位和市政道路管理部门重要的关注点。合建优点在于环境影响小，用地拆迁少，景观效果佳、工程造价低、且一般不会突破道路红线，社会效益和经济效益明显[2]。尽管合建的建设时序和管理协调难度较大，但从城市总体发展的角度来看，合建优势明显。从技术角度看，市域铁路与快速路合建的主要设计原则有如下几点：

（1）公路与市域铁路合用的下部结构应同时满足公路桥梁和市域铁路相关规范的要求;

（2）桥墩上下层盖梁间距、左右墩柱間距应能满足市域铁路的限界要求;

（3）桥墩上下层盖梁间距、左右墩柱间距应能满足市域铁路接触网、信号机、声屏障、电缆槽、栏杆等桥面附属结构的布置要求;

（4）桥梁下部结构计算应充分考虑公路荷载与铁路荷载的最不利组合形式。

2 U型梁应用概况

U型梁起源于槽型梁，最早的槽型梁于1952年应用于跨度48.6 m的铁路桥梁—罗什尔汉，从八十年代开始逐渐在我国的铁路行业中应用[3]。槽型梁腹板和底板均较厚，随后对其改进成为当今的U型梁。U型梁最大的特点是其腹板、底板较薄，属于薄壁构件[4]。优点是桥面结构建筑高度可以降低，从而为桥下提供更高净空，且U梁侧腹板可起到声屏障的效果，降低轮轨噪声对周边环境的影响[5-6]，如果考虑桥上声屏障设备更换等因素，从桥上设备的全寿命周期来计算，采用U型梁性价比更高，在U型梁和箱梁的对比中，其抗扭性、刚度、以及变形都是对比的重要部分，按照设计时速相同、跨径相同的标准梁进行对比，U型梁的抗扭性和刚度稍差，变形大[7]。但在U型梁结构抗弯扭剪分析、跨中翘曲正应力影响分析和结构抵抗弯剪扭截面检算中[8]，均符合规范要求。U型梁在国外已有迪拜、阿联酋等国建成使用，国内第一次在轨道交通中使用U型梁是在上海地铁八号线，速度目标值为80 km/h。近年来，U型梁的价值在工程中逐渐凸显，国内U型梁得到大量应用[9]，上海、北京、天津、南京、青岛等地均已实现工程应用。

3 U型梁在合建中的价值研究

3.1 工程概况

温州市域铁路S3线一期工程纵贯南北，在温瑞大道段，S3线与快速路沿既有道路路中合建[10]。本文通过两个节点对箱梁和U型梁对比研究。第一个节点由于合建段快速路匝道与高速公路的互通相接驳，导致位于地上二层的上蔡站标高受控，出站后，S3线与快速路需要以短距离合建上跨越南环线;第二个节点受到鹅湖锦园小区影响，快速路在大学城站匝道落地允许水平距离仅有350 m。

3.2 满足短距离抬升标高要求

第一个节点中，上蔡站轨面标高h1为13.7 m，南环线路面标高h2为16.2 m。根据规范要求，竖曲线不能进入站台端[11]，故市域铁路S3线从上蔡站台南侧端部以限坡29.5‰（通常不取极值30‰）与快速路合建爬坡，上蔡站站台南端至南环线北侧边缘的爬坡水平距离d为302 m。

S3线爬坡至南环线时可达到的轨面标高：

S3线跨越南环线需要达到的轨面标高：

其中：

s：箱梁梁底至南环线路面净空，取5 m;

a：梁厚;

j：轨道结构高，轨道板结构厚度与钢轨高度的和，取0.7 m;

i：桥梁沉降富余量，取0.2 m。

该处快速路在三层，跨越南环线只需要位于二层的市域铁路满足跨越条件即可，故s3线爬坡至南环线可达到的轨面标高大于等于需要的轨面标高时，满足跨越条件，有：

得：

故当梁厚小于等于0.5 m时，该节点才具备跨越可能性，方案才有可行性。

温州市域铁路S3线标准跨箱梁梁厚2.25 m，在该处明显大于0.5 m，不满足跨越条件;和箱梁相比，U型梁桥梁结构高可节省1.5 m～2 m，目前30 m跨单线预应力混凝土简支U型梁底板厚可做到0.26 m，一般简支U型梁梁厚在0.3 m～0.4 m之间，小于0.5 m，该节点在采用U型梁后纵断面满足条件，能够在302 m的短距离下迅速抬升市域铁路标高，跨越南环线。

采用U型梁，无需调整上蔡站标高也不需要对南环线进行改造，工程实施难度和费用以及沟通协调工作量大大降低。满足在较短距离迅速抬升标高到需要的控制标高、满足爬坡高度的要求。

3.3 缩短快速路匝道落地长度

快速路与市域铁路合建，U型梁较标准跨箱梁可以降低结构高1.5 m～2 m。温州市域S3线与快速合建段局部地段廊道狭窄，既有鹅湖小区房屋平行布置紧邻快速路。目前快速路路面与地面净高差，快速路在该处需要按照5.9%的纵坡设置下坡匝道[12]，下坡起始点距离匝道终点水平距离，意味着该节点必须在水平长度的条件下达到下降21.65 m的高度，否则只能对高层小区房屋进行拆除。

合建段采用箱梁时的下坡匝道水平长度：

由于，合建段采用箱梁时的下坡匝道水平长度大于匝道水平长度350 m的极限允许长度，故箱梁方案匝道无法落地，否则只能对小区进行拆除，代价大。

采用U型梁时，快速路路面标高降低值：

快速路与地面净高差：

快速路匝道落地所需水平长度：

其中：

a1：箱梁梁厚，取2.25 m;

a2：U型梁梁厚，取0.4 m。

当采用U型梁时的匝道水平长度，故采用U型梁方案能够满足匝道延展长度受限的情况下快速路与地面市政道路通过匝道接驳落地的要求。该方案不需对小区房屋进行拆除，且降低结构高后工程费降低，对节省工程投资效果明显。

市域铁路等城市轨道交通与市政道路对于城市的发展至关重要，城市土地供应日趋紧张，土地价值也逐年增大，对城市轨道交通和市政道路的设计提出更高的要求。在市域铁路等轨道交通与市政道路合建中采用U型梁取代传统箱梁对市域铁路和快速路纵断面优化具有重要意义，在跨越重要控制节点时U型梁替代箱梁往往能对整个方案可行性起到决定性的作用。

4 结语

标准U型梁相比于箱梁，其结构高的大幅降低，在需要较短距离达到迅速抬升或降低標高，且采用箱梁标高严重受限时，可考虑U型梁替代箱梁的方案。其次，市域铁路等轨道交通与快速路合建，引起快速路路面标高过高，且快速路需要与普通市政道路通过匝道相连，匝道下落延展长度受限情况下，同样可考虑市域铁路采用U型梁，达到降低市域铁路与快速路合建引起快速路路面标高过高的问题。除在工程应用上的价值，其在降噪和改善景观、沿线土地增值等方面的价值同样突出。在类似工程设计中当需要短距离抬升、降低标高，或缩短快速路匝道落地长度，采用U型梁替代箱梁的方案具有一定的借鉴意义，能为其他项目的设计提供参考。

参考文献：

[1]张晓红，于汉森，郭世永.青岛轨道交通与快速路系统立体联网的构想[J].青岛理工大学学报， 2006，27（5）：102-104.

[2]陈东升，刘海中.地铁与市政道路结合建设方案研究[J].中外公路，2013，33（6）：346-348.

[3]王世才.槽形梁在城市轨道交通工程中的应用形式[J].中国新技术新产品，2009，20（17）：61.

[4]Alhajr T M，AZIMI M，MIRZA，et al.Behavior of pre-cast U-shaped composite beam integrating cold-formed steel with ferro-cement slab[J].Journal of Cleaner Production，2016（5）：18-29.

[5]Alhajri T M，Tahir M M，Azimi M，et al.Behavior of pre-cast U-Shaped Composite Beam integrating cold-formed steel with ferro-cement slab[J].Thin-Walled Structures，2016，102：18-29.

[6]王彬力，蒲黔辉，白光亮.新型U型梁车桥耦合环境振动实测与分析[J].地震工程与工程振动，2012，32（1）：78-85.

[7]王国富，魏勋贺，王渭明，等.基于子集模拟法的大跨异型U型梁可靠度分析[J].中国科技论文，2018（1）：87-93.

[8]王彬力.城市轨道交通U型梁系统结构受力行为研究[D].西南交通大学，2012.

[9]刘聪.轨道交通高架桥U型梁预制与架设成套技术应用研究[D].2015.

[10]温州市域铁路S3线一期工程可行性研究[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2018：11.

[11]T/CCES 2-2017.市域快速轨道交通设计规范[S]. 北京：中国土木工程协会，2017.

[12]JTG D20-2017.公路路线设计规范[S].北京：人民交通出版社，2017.