城市轨道交通桥梁设计与施工

城市轨道交通发展概况
我国城市轨道交通统计列表（截止2009年年底）
排名 城市 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 上海 北京 广州 大连 天津 长春 深圳 南京 重庆 武汉 已建轨道交通 近期规划轨道 长度（km） 交通长度（km） 319 228 155 86.7 71.6 31.9 25.3 21.7 19.2 10.2 877 561 600 145 220 94 245.4 617 513 222.8 最早 启用年份 1995 1969 1997 2004 1984 2002 2004 2005 2005 2004
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
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
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世界各国城市轨道交通发展简介
城市轨道交通桥梁的主要特点 城市轨道交通桥梁设计荷载与设计标准
城市轨道交通桥梁结构与构造
城市轨道交通桥梁施工与制造
城市轨道交通桥梁技术发展展望
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世界各国城市轨道交通发展简介
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
DC 750V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）
DC 1500V线性电机系统（东京）
北京地铁机场线（线性电机系统）
DC 1500V跨坐式胶轮单轨系统
DC 1500V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
上海磁悬浮 上海浦东磁浮线
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
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 ..….
L≤20
20＜L≤30 30＜L≤40
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。
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
墩数(个) 6 4 10 1 7 6 1 4 2 4 2 1 2 1 1 墩高范围 （m） 5.231-5.731 6.231 6.231-6.331 6.431 6.431-6.831 7.131-7.531 7.531 7.631-7.731 7.931-8.031 8.131-8.431 9.231-9.931 10.531 11.031-11.531 11.931 12.431 墩纵向刚度（kN/cm） 规范值（kN/cm） 墩纵向刚度/ 规范值 285 237.1 234.4 226.1 215.8 184.2 176.3 170.7 160.1 150.4 116.2 97.5 85.5 76.7 70.7 320 240 320 240 320 320 240 320 240 320 320 320 240 320 320 89.1% 98.8% 73.2% 94.2% 67.5% 57.6% 73.5% 53.4% 66.7% 47.0% 36.3% 30.5% 35.6% 48.0% 44.2%
各国城市轨道交通统计列表（截止2009年年底）
排名 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 国家 美国 中国 日本 西班牙 英国 韩国 俄罗斯 德国 法国 巴西 轨道交通长度（km） 1747.3 1021.1 803.1 642.4 533.1 482.2 446.8 446.4 345.9 257.5 站台数目 1037 654 722 555 386 477 281 484 477 195 最早启用年份 1870 1969 1933 1919 1863 1974 1935 1902 1900 1974
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
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城市轨道交通桥梁设计荷载与设计标准
梁式桥跨结构竖向挠度容许值《地铁设计规范》
跨度 挠度容许值
L≤30m L>30m
L/2000 L/1500
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 90 墩顶横向刚度
L Hz ，L 为桥梁跨度（m）
静位移（按规定的横向力计算）
(mm) (mm)
顺桥方向 5 L 横桥方向 4 L
比值 89.7 88.9 93.3 100.4 103.7
比值 86.1 79.4 86.5 99.7 101.2
632 2063 3663 5752 8880
567 1834 3416 5774 9212
544 1639 3168 5735 8987
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）
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
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城市轨道交通桥梁的主要特点
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
• 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 c max 和最大拉应力 t max ，验算：
2 .3 m 2 .5 m 160KN 160KN
1 3 .2 m
2 .5 m 2 .3 m 160KN 160KN
地铁A型
2 2 .8 m
2 .3 5 m
2 .2 m
1 0 .4 m
2 .2 m
2 .3 5 m
140K N 140K N
140K N 140K N
地铁B型
1 9 .5 m
1 .9 5 m 2 .2 m 110 K N 1 .9 5 m
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
• 竖向刚度限值
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、宁波源自文库
– 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。
（4）求钢筋拉应力 g n
荷载分类
荷载分类 恒 主 荷 载 名 称 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 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
载
力
活
载
荷载分类
荷载分类 附 加 力 特 殊 荷 载 荷载名称 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 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
L —— 桥跨跨度（m） ；不等跨时，采用相邻跨中较小跨度，当 L<25m 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
• 纵向刚度限值
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） 240 320 400 附注 不设钢轨伸缩调节器 不设钢轨伸缩调节器 不设钢轨伸缩调节器
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。
Ra 砼容许应力 c K
K 2. 5 K 1.7
钢筋容许应力 s
s
K
设计方法
c max c
t max t
设计方法
• 抗弯构件计算
（1）求中心轴
1 2 bx nAg (h0 x) 2
求出受压区高度， n
Eg Eh
1 （2）求惯性矩 I 0 bx 3 nAg (h0 x) 2 3
（3）求混凝土应力 h
M x c I0 M (h0 x) s I0
– 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
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%。
不同车辆载重引起的桥梁跨中弯矩（KN*m）
计算跨度 L（m） 10 20 30 40 50 地铁 A 型
ML
2
地铁 B 型
ML
2
轻轨型
ML
2
比值 100 100 100 100 100
8 .6 m
2 .2 m 1 10K N
110 K N
110 K N
地铁轻轨型
1 5 .8 m
车辆设计荷载
车辆设计荷载 A型 B型 轻轨型 编组 8辆 6辆 8辆 设计轴重（KN） 满载 空载 160 90 140 80 110 70 均布密度 满载（KN/m） 28.10 28.71 27.85 使用情况 上海一号线 汉城 莘闵线
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
宝山路站至溧阳路站独柱墩的墩顶纵向水平线刚度
墩高 （m） 13.4 13.4 13.6 13.1 桩长 （m） 37 38 38 38 桥梁跨度 （m/m） 20/30 30/21.2 30/20 20/28.9 墩纵向刚度 规范值 （kN/cm） （kN/cm） 150 152 145 156 160 160 160 160 墩纵向刚度/规范值 93.75% 95% 90.6% 97.5%