有軌電車項目中改造公路橋梁的分析

楊 林 董瀚潞

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

1 概述

現代有軌電車系統(tǒng)是介于地鐵系統(tǒng)與公共汽車系統(tǒng)之間的一種新型交通系統(tǒng)，對城市軌道交通系統(tǒng)起輔助、完善作用，同時在主要功能區(qū)之間起公交骨干作用。目前，國內多數一線城市已建設有軌電車系統(tǒng)，許多二線城市也在積極建設中，發(fā)展前景非常廣闊。

現代有軌電車線路一般敷設于地上，以路基和橋梁為主。運營模式為區(qū)間獨立路權，道路交叉口混合路權。有軌電車線路沿既有市政道路敷設時，需要滿足道路交通、市政景觀、經濟安全等各方面要求。市區(qū)內跨路口、跨河的公路橋梁較多，線路與公路橋梁的關系密切，當遇到既有橋梁時，需做出改造利用或新建繞行的抉擇。

2 工程背景

都江堰市旅游客運專線工程采用了現代有軌電車體系，線路整體由北向南，主要位于幸福鎮(zhèn)、玉堂鎮(zhèn)、中興鎮(zhèn)、青城山鎮(zhèn)，連接了離堆公園片區(qū)、濱江新區(qū)、中興片區(qū)、青城山片區(qū)等區(qū)域，與成灌鐵路共同構建了都江堰市的公共交通網絡體系。線路全長約20.3 km，其中路基段約18.0 km，新建橋梁段約1.2 km，改造既有橋梁段約1.1 km。該項目現正在施工，預計2020年通車運營。

某既有橋梁節(jié)點處，線路沿路中敷設，若提前改至路側以新建專用橋梁通過，一方面會加大道路兩側拆遷，另一方面有軌電車由路中轉向路側，需設置獨立運行相位，路口存在延誤，影響行車流暢。因此在設計過程中，從線路流暢、節(jié)約用地及工程投資等角度出發(fā)，計劃改造利用該既有橋梁。

3 改造方案比選

目前，國內有軌電車的項目中，涉及到既有橋梁改造利用的方法主要有三種。

1)直接利用。若橋梁建設年代較近，能滿足有軌電車荷載下的結構安全與結構剛度等相關要求，則僅對橋面進行改造，在橋上采用嵌入式軌道或者直鋪軌道方案，梁體及下部結構直接使用。該方法能最大限度的利用既有橋梁，使市政道路與有軌電車線路結合緊密，保留了公路與有軌電車的混行條件。

2)加固后利用。若橋梁建設年代較早，目前性能接近運營有軌電車的要求，此時可考慮選擇適宜的加固處理技術進行加固，待加固后再改造利用。該方法能較好的適應線路走向，減少橋梁拆除對交通的影響，但在實際項目中的操作周期及工程成本較高。

3)新建橋梁。若橋梁性能不佳，線路受周邊條件控制繞行困難，則在有軌電車限界范圍內的橋梁上、下部結構，包括基礎，宜采用全部新建；既有橋的其余部分需進行橋面處理、附屬設施改造等，該方法有軌電車安全性能得到保障，但實施過程對現狀交通影響較大，造價高。

以上既有橋梁的改造方案各有利弊，鑒于本項目為旅游客運專線，工程建設對環(huán)境的影響應盡量減少，線路與周邊環(huán)境應和諧統(tǒng)一；同時考慮到工程建設進度的需求，對多數既有橋梁均考慮直接改造利用。

4 改造可行性研究

4.1 荷載對比

本既有橋上部結構為1×25 m的預應力鋼筋混凝土簡支小箱梁，橫向由6片梁組成，道路全寬15 m；橋梁橫向布置為：0.5 m(護欄)+14(行車道)+0.5 m(護欄)；設計荷載為公路—Ⅰ級。下部結構橋臺為輕型橋臺，基礎為鉆孔灌注樁基礎，如圖1所示。

在JTG D60—2015公路橋涵設計通用規(guī)范中，車輛荷載軸重的標準值，后軸為140 kN，軸間距為1.4 m，輪距1.8 m。而本項目有軌電車采用的車輛平均軸重為125 kN，軸間距為1.8 m，軌距為1.435 m。對本橋而言，公路車輛荷載的沖擊系數(1+μ)=1.29；有軌電車豎向荷載動力系數(1+μ)=1.22。橋面局部改造為有軌電車系統(tǒng)后，改造范圍內二期恒載增加值約10.2 kN/m，占橋梁結構恒載的比重較小。

經以上對比可以看出，本線有軌電車的軸重及布置與公路車輛荷載具有一定程度的相似性；改造后引起的二期恒載變化幅度較小。本線有軌電車系統(tǒng)具備改造利用既有城市橋梁的可行性基礎。

在此基礎上，還應對需要改造利用的既有橋梁結構進行理論驗算分析，并委托有資質的專業(yè)單位對既有橋梁進行結構材料狀況檢測及荷載試驗檢查，確保方案的安全可靠。

4.2 模型分析

根據CJJ 242—2016城市道路與軌道交通合建橋梁設計規(guī)范的規(guī)定：“對同時承受城市道路與軌道交通荷載作用的結構，應按現行行業(yè)標準CJJ 11城市橋梁設計規(guī)范的規(guī)定，進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計”。故本模型采用極限狀態(tài)法進行驗算。模型的輸入參數均以橋梁竣工圖為準，模型靜力分析采用Midas/Civil 2017空間橋梁專用程序，全橋共劃分為162個節(jié)點，201個單元。該橋有限元計算模型見圖2。

動力放大系數按汽車和列車荷載分別計算并取較大值。經驗算，該既有橋在同時承受軌道交通和道路活載時，各小箱梁在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，正截面和斜截面的各項抗力驗算及應力驗算指標均滿足現行規(guī)范要求。

以正截面抗彎承載力為例，軌道交通和道路活載作用下3號梁的組合效應設計值均小于構件承載力設計值，見圖3。

在驗算橋跨結構變形時，考慮混凝土的彈性模量在多次重復荷載作用后降低約20%～25%，截面剛度按0.8EcI計算。3號梁在設計靜荷載(汽車與列車荷載)作用下，最大撓度值發(fā)生在跨中，約為6.53 mm，撓跨比為1/3 828，其值滿足《城市道路與軌道交通合建橋梁設計規(guī)范》的要求。

4.3 橋梁檢測分析

本橋經專業(yè)單位進行了靜載和動載試驗檢查。靜載試驗是將靜荷載作用在橋梁指定的位置，對結構的靜力位移、靜力應變、裂縫等參量進行測試，從而對結構在荷載作用下的工作性能和使用性能作出評價。動載試驗是為了測定橋梁結構的動力特性(頻率、振型、阻尼比)及動力響應(加速度時程曲線、沖擊系數)等，以便對橋梁結構做出全面客觀的評價。

靜載試驗以橋梁跨中橫截面為應變測試截面；以3號梁為例，其跨中截面在滿載作用下，底面應變隨荷載變化如圖4所示。

底面應變的變化與理論計算值趨于一致，且均小于理論計算值，說明結構的實際強度較高；卸載后測點的應變基本恢復，說明橋梁仍處于彈性工作狀態(tài)。

在滿載作用下，3號梁順橋向支點、1/4跨、1/2跨、3/4跨位置的撓度實測值與理論值對比如圖5所示。

各點撓度的實測值均小于理論計算值，說明結構的實際剛度較高。滿載狀態(tài)下橋面實測線形平順，變形值與計算值基本一致，結構變形正常。

在裂縫測試過程中，主要承重構件主要受力部位附近均未發(fā)現裂縫。

動載試驗結果中，結構基頻實測值(5.76 Hz)大于理論計算值(4.49 Hz)，表面結構實際剛度大于理論剛度；其余各項動力特性指標也在正常值以內。通過靜載和動載試驗，表明該既有橋的強度和剛度均滿足“公路—Ⅰ級”荷載作用下的正常使用要求。

通過上述分析，此既有橋梁性能良好，能滿足在汽車和列車荷載作用下的使用要求；既能使行車線路流暢，又節(jié)約用地及工程投資，最終設計方案采用改造該既有橋。

5 結語

1)目前國內既有城市橋梁(按04公路規(guī)范及后續(xù)新規(guī)范設計建造的)，雖然具備一定的改造基礎，但在有軌電車項目中，應視情況而定。在線路能繞行的情況下，可優(yōu)先選用新建橋梁供有軌電車通行。改造利用既有橋梁應考慮對原有橋梁通行能力的影響。本節(jié)點橋的設計中，道路權屬部門也在升級拓寬道路，恰好解決了有軌電車占用中間車道后對原通行能力的影響。

2)有軌電車項目中，對市郊中小橋梁，改造方案相對可行。而市區(qū)繁忙節(jié)點的大中型橋梁，改造、拼寬工程量大，造價成本高、施工周期長、社會反響大，此時選擇改造方案時宜慎重，須進行多方面的影響論證，確保方案可行。

3)改造后的橋梁，既運行汽車又運行有軌電車，運營期的安全風險高。應通過開展工程安全風險評估，制定有效的應對橋梁風險的對策，完善橋梁風險管理體系，從而做好橋梁的運營、維護、安全監(jiān)控等方面工作，提高橋梁結構自身安全和交通運行安全的性能。