懸掛式單軌交通與市政橋結(jié)合方案研究

張超

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 天津 300308）

1 概述

進入21世紀以來，人們對交通出行的要求越來越高。懸掛式單軌以其建設(shè)迅速，周期較短，投資低，方便出行等優(yōu)點，在景區(qū)通行和機場接駁等特殊條件下的適用性較好。但由于國內(nèi)應(yīng)用較少，發(fā)展較緩，其跨度還維持在25m左右，對于大跨的路口或河道很少應(yīng)用，因此其大跨度橋梁的問題一直沒有完整系統(tǒng)的解決方案。

本研究將系統(tǒng)的對懸掛式單軌與市政橋結(jié)合修建的方案進行研究。由于單獨為了承托懸掛式單軌修建橋梁投資巨大，而功能卻很單一，因此采用在簡支梁橋墩柱中間設(shè)置懸掛式單軌的鋼支柱，將支柱基礎(chǔ)連接到橋面上，同時橋面兩側(cè)用于公路橋運行。這種利用簡支梁橋承托懸掛式單軌的方案，既有效的搭載了懸掛式單軌，解決了懸掛式單軌跨度制約的問題，同時又可以兼做市政的公路橋，實現(xiàn)了一橋多用，提高了經(jīng)濟性，對于其普及和發(fā)展有十分重要的意義。

圖1 簡支梁結(jié)合市政橋承托方案斷面圖

2 模型計算

為了對簡支梁橋和市政橋結(jié)合單軌的方案進行分析，選擇了一個實際工程的簡支梁橋建立模型，并將懸掛式單軌墩柱的荷載以集中荷載的形式作用其上，模擬懸掛式單軌對市政橋的影響，從而對專用簡支梁和市政橋結(jié)合簡支梁兩個方案的經(jīng)濟性進行評價。

2.1 模型概況及截面尺寸

本模型為跨徑40m的簡支梁橋，公路等級為二級公路，公路荷載等級為公路-Ⅱ級，橋面布置2條車道，寬度12m，由4片等截面箱梁組成，梁間距2.9m。4片主梁之間采用剛性橫梁法連接。

箱梁梁高2m，支座處底板厚度360mm，腹板厚度320mm；跨中底板厚度180mm，腹板厚度200mm。

2.2 材料及布置

混凝土：采用C50混凝土；橋面鋪裝采用瀝青混凝土，容重24.0kN/m3。

預(yù)應(yīng)力筋：采用fpk=1860MPa、公稱直徑d=15.2mm的低松弛高強度鋼絞線。采用等效荷載法進行模擬，利用midascivil中預(yù)應(yīng)力鋼束布置功能實現(xiàn)。梁內(nèi)鋼束均采用兩端同時張拉，錨端控制應(yīng)力為1395MPa。預(yù)應(yīng)力規(guī)格為N1～N5采用4As15.2，N6采用5As15.2。

2.3 荷載統(tǒng)計

（1）結(jié)構(gòu)自重：主梁所用預(yù)應(yīng)力混凝土為C50，容重26kN/m3，結(jié)構(gòu)自重由結(jié)構(gòu)體積可以計算得到。

（2）二期恒載：橋面有80mm厚C50混凝土現(xiàn)澆層及100mm厚瀝青混凝土橋面鋪裝。由材料容重換算得12.8kN/m線荷載分別加載在4片主梁上。

（3）車道荷載：根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）4.3.1條規(guī)定車道荷載的計算圖式施加。

（4）懸掛式單軌墩柱荷載：此墩柱荷載采用等效荷載的方法進行加載，采用成都某空鐵項目雙線橋墩雙線加載時的墩底反力。單個墩柱的等效荷載為：

Fx=114kN；Fy=195.7kN；Fz=1227.8kN；Mx=1252.8kN·m；My=-729.6kN·m；Mz=122.6kN·m；

采用兩種加載方式：①將一組墩柱荷載加載在1/2跨截面頂板中心節(jié)點上；②將兩組墩柱荷載分別加載在距簡支梁兩端支座7.5m處，其中一組荷載只考慮墩柱恒載的等效荷載。

2.4 荷載組合

（1）恒載組合：自重+預(yù)應(yīng)力荷載+二期恒載；

（2）恒載+活載組合：組合1+公路活載；

（3）單墩荷載：單墩荷載；

（4）雙墩荷載：雙墩荷載；

（5）恒載+活載+單墩荷載組合：組合2+跨中單墩荷載；

（6）恒載+活載+雙墩荷載組合：組合2+跨中雙墩荷載；

2.5 計算結(jié)果

2.5.1 內(nèi)力結(jié)果

內(nèi)力結(jié)果為組合（1）作用下，剪力和彎矩分別為1035kN和3003.6kN·m；組合（5）作用下分別為 1245.9kN 和 6221.0kN·m；組合（6）作用下分別為1451.7kN和5318.6kN·m。

由計算結(jié)果可以看到在增加了墩柱荷載后，簡支梁的內(nèi)力較恒載+活載的工況由明顯增大。其中恒+活+單墩荷載時跨中彎矩增大107.2%，恒+活+雙墩荷載時跨中彎矩增大77.1%。

2.5.2 應(yīng)力結(jié)果

通過計算可以得到，施加墩柱的等效荷載后，簡支梁在跨中部分產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。其中，施加跨中單墩荷載時，1/2跨截面產(chǎn)生了5.92MPa的拉應(yīng)力，施加跨中雙墩荷載時，1/2跨截面產(chǎn)生了4.22MPa的拉應(yīng)力，均超過了C50混凝土的抗拉強度標準值2.65MPa?？赏ㄟ^加強預(yù)應(yīng)力筋的方法補強。

2.5.3 位移結(jié)果

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）6.5.3條規(guī)定，考慮C50混凝土長期撓度增長系數(shù)1.425并消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后主梁的最大撓度不超過計算跨徑的1/600。由計算結(jié)果可知，施加墩柱的等效荷載后，簡支梁在跨中部分產(chǎn)生了較大的撓度。其中，施加跨中單墩荷載時，1/2跨截面產(chǎn)生了66.2mm的撓度，非常接近容許值，施加跨中雙墩荷載時，1/2截面產(chǎn)生了67.7mm的撓度，超過了容許值。

2.6 改良措施

2.6.1 截面調(diào)整

主梁撓度超過容許值表明主梁剛度不足。應(yīng)力超過容許值可用加強預(yù)應(yīng)力筋的方式解決。將主梁高度增加至2.2m并調(diào)整相應(yīng)預(yù)應(yīng)力布置。調(diào)整后的預(yù)應(yīng)力規(guī)格為N1～N5采用4As15.2，N6和N7采用5As15.2。

2.6.2 調(diào)整后的應(yīng)力與位移

調(diào)整后的主梁應(yīng)力計算結(jié)果可知，由計算結(jié)果可以看到截面正應(yīng)力和主拉應(yīng)力均未超過規(guī)范容許值。

撓度計算結(jié)果為施加跨中單墩荷載時，1/2跨截面產(chǎn)生了49.6mm的撓度，滿足要求；施加跨中雙墩荷載時，1/2截面產(chǎn)生了50.7mm的撓度，也同樣滿足。

2.6.3 材料數(shù)量變化

可以看到更改梁高和預(yù)應(yīng)力布置后應(yīng)力和撓度均符合規(guī)范要求。但由于截面高度的改變，造成了混凝土和預(yù)應(yīng)力筋用量的增加。用料情況如表1。

表1 更改截面后材料數(shù)量變化

3 結(jié)論

通過分析可以得出，常規(guī)市政橋在橋面上直接安裝懸掛式單軌時，對其有較大的影響，應(yīng)力和位移都超過了限值，因此需要增加預(yù)應(yīng)力鋼筋和截面尺寸。

經(jīng)過計算后可以發(fā)現(xiàn)，截面需增加5.7%，預(yù)應(yīng)力筋增加20%就可以完全滿足懸掛式單軌的要求。因此對于市政橋來說，只需稍加改造，即可滿足一橋兩用的要求，充分的發(fā)揮了市政橋的功效。

[1]Boehm E, Frisch H. The new operating system of H-train in Dortmund[J].Verkehr and Technik，1994，47（10）:465～470.

[2]李忠繼，林紅松，顏華，等.空軌列車系統(tǒng)橫向運動穩(wěn)定性研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2016，13（3）：564～569.

[3]Rahier H W，Scharf P. Sicherheitstechnische Prufung der fahrerlosen kabinenbahndes flugha - fens duesseldorf[J]. Signal and Draht，2002，92（10）:20～22..

[4]魏慶朝，王英杰.空中列車及大溫哥華地區(qū)綜合交通系統(tǒng).都市快軌交通[J].2006，19（1）.