既有公路橋梁有軌電車改造關(guān)鍵技術(shù)

胡玉珠 郭建勛 肖 杰

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

現(xiàn)代有軌電車具有節(jié)能、環(huán)保、便捷、舒適的特點(diǎn)，是一種運(yùn)量介于輕軌和公交之間輕型軌道交通，其技術(shù)特性與輕軌相近，且可與其他交通混行。其符合現(xiàn)代交通工具的要求，受到各旅游城市及大城市新興城區(qū)的歡迎，且呈快速增長趨勢。由于城市道路資源有限，在城區(qū)有軌電車線路規(guī)劃中，不可避免的遇到既有公路或既有橋梁的改造利用，面臨一系列需要解決的問題。

1 既有橋梁改造模式

考慮安全、經(jīng)濟(jì)、適用等原則，對于既有公路橋梁的改造主要有以下幾種模式：

1)拆除新建(方案一)。橋梁上部結(jié)構(gòu)、橋墩、基礎(chǔ)全部拆除，在原橋位重建，有必要時(shí)和公路橋梁一同建設(shè)。

2)部分改造(方案二)。部分利用既有橋梁結(jié)構(gòu)，又分為兩種模式，一是拆除部分梁部，甚至部分蓋梁和基礎(chǔ)，保留兩側(cè)公路行車功能。一種是重建上部結(jié)構(gòu)，保留橋墩及基礎(chǔ)。

3)橋面改造(方案三)。保留上下部主體結(jié)構(gòu)，對有軌電車范圍內(nèi)橋面進(jìn)行改造，最大限度的利用既有橋梁結(jié)構(gòu)。

方案一工程質(zhì)量容易保證，能滿足有軌電車規(guī)劃適用年限和河流行洪等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，后期影響交通小。方案二和方案三可以節(jié)省投資，但既有結(jié)構(gòu)的耐久性不易保證，新建結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)的銜接處易成為薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)周期內(nèi)重建或維修風(fēng)險(xiǎn)增加。

2 既有橋梁的評估

對既有結(jié)構(gòu)利用需要對既有橋梁進(jìn)行評估，評估的因素包括橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力、結(jié)構(gòu)剛度、橋面寬度適用性、線路條件、行洪要求、使用年限及結(jié)構(gòu)耐久性等因素。

公路橋梁和軌道交通橋梁在結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力方面存在差異，另外輪軌左右模式對線路的線型要求與公路、市政橋梁也有所區(qū)別。這就要求在對既有公路橋梁做改造評估時(shí)，要兼顧受力和變形兩種因素進(jìn)行評估。

2.1 線路、橋面、使用年限適用性評估

有軌電車軸距一般在10 m以內(nèi)，需要滿足35 m的最小曲線半徑和15 m最小緩和曲線長度的要求[6,9]，曲線半徑和超高設(shè)置還需匹配車輛行駛速度。雙線整幅有軌電車橋梁考慮車輛凈空和接觸網(wǎng)布置要求，雙線間距一般不小于4 m，線路外側(cè)考慮設(shè)置不小于0.55 m寬檢修通道和約0.3 m的欄桿占用，總的橋面寬度不小于9 m；與公路混行時(shí)，以公路作為檢修通道，最小占用寬度約為7.3 m。有軌電車設(shè)計(jì)使用年限一般為100年，利用既有橋梁時(shí)，考慮后期重建綜合成本，既有橋梁的剩余使用年限建議不小于50年。

2.2 荷載和安全性評估

上海市有軌電車工程設(shè)計(jì)規(guī)范[6]規(guī)定：“有軌電車與城市道路合建橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，可按道路橋梁適用的現(xiàn)行規(guī)范體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震設(shè)計(jì)?！辈捎脴?biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的橋梁可以通過荷載對比判斷其安全性，多車道特殊橋梁則需要根據(jù)荷載分布情況具體分析。

2.2.1荷載標(biāo)準(zhǔn)

既有公路/市政橋梁所采用的荷載標(biāo)準(zhǔn)多采用89公路橋規(guī)[4]，04公路橋規(guī)[3]，98城市荷載[5]，11城市橋規(guī)，其中04公路橋規(guī)和11城市橋規(guī)荷載取值基本一致。89公路橋規(guī)采用的是車隊(duì)荷載形式，其他規(guī)范采用集中力加均布荷載的形式。

有軌電車車輛通常采用單發(fā)車輛，最大軸重12.5 t，最大軸距18.5 m。典型的有五模塊6軸有軌電車，或3模塊4軸有軌電車。本文以6軸小軸距有軌電車和公路/市政橋梁荷載進(jìn)行對比研究，見圖1。

2.2.2不同荷載梁部受力對比

雙線有軌電車橋梁設(shè)計(jì)寬度和雙車道公路橋梁寬度相近，本文以雙線6軸有軌電車和雙車道公路/市政橋梁荷載做對比分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮荷載沖擊系數(shù)，04公路橋梁以后沖擊系數(shù)與基頻相關(guān)，16 m，20 m，30 m梁(計(jì)算跨徑15.6 m，19.5 m，29.0 m)基頻分別取5.5 Hz，4.6 Hz，3.6 Hz，有軌電車沖擊系數(shù)參照鐵路橋規(guī)[1]計(jì)算，活載沖擊系數(shù)及最大彎矩、最大剪力對比分析見表1～表3。

表1 各規(guī)范活載沖擊系數(shù)

分別比較16 m，20 m，30 m簡支梁的最大彎矩和最大剪力，以判斷其對橋梁安全的影響。

有軌電車荷載下16 m～32 m梁梁部最大彎矩均小于公路Ⅰ級、公路Ⅱ級、汽超20荷載、98城市荷載，最大剪力小于公路Ⅰ級、汽超20荷載，略大于公路Ⅱ級荷載，基本可以判定，在恒載不增加的情況下，使用公路Ⅰ級、汽超—20，98城市A級荷載計(jì)算的常規(guī)跨度橋梁具備有軌電車改造條件，而采用公路Ⅱ級、汽—20，98城市B級荷載設(shè)計(jì)的橋梁則需要檢算。由于有軌電車加載長度較短，超過32 m跨的大跨度橋梁更容易通過承載力評估。

表2 不同荷載作用下簡支梁最大彎矩

表3 不同荷載作用下簡支梁最大剪力

2.3 梁部剛度評估

判斷梁部是否適用的另一個(gè)條件是梁部豎向剛度，在未進(jìn)行梁體車橋耦合檢算時(shí)，主要通過以撓度和梁端轉(zhuǎn)角兩個(gè)指標(biāo)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對于無砟軌道結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于梁部剛度的規(guī)定對比如表4所示。

表4 各規(guī)范梁部剛度指標(biāo)對比表

鐵路規(guī)范對梁端轉(zhuǎn)角的要求較為嚴(yán)格，地鐵規(guī)范和有軌電車規(guī)范對活載撓度的規(guī)定較為嚴(yán)格。有軌電車設(shè)計(jì)時(shí)速一般低于80 kN/h，荷載較輕對于軌道的沖擊效應(yīng)也相應(yīng)較小，可以參照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范取值。

2.4 橋墩剛度評估

目前地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[2]和有軌電車設(shè)計(jì)規(guī)范[6]對橋墩縱向剛度的規(guī)定均為參照鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范制定，20 m梁限值在145 kN/cm～240 kN/cm范圍，30 m梁限值在260 kN/cm～320 kN/cm范圍。根據(jù)鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范的條文解釋，該項(xiàng)指標(biāo)的制定主要是為了保證無縫線路的穩(wěn)定性和安全性，使軌道附加應(yīng)力和梁軌位移不超過限制。鋼軌縱向附加應(yīng)力主要由橋上列車制動(dòng)力、溫度力、撓曲力等作用產(chǎn)生的[7]。橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度大小是影響列車制動(dòng)力的主要因素，對其他附加應(yīng)力影響較小，普通鐵路橋梁制動(dòng)力是鋼軌附加力的重要組成部分。

根據(jù)《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的條文說明[10]，為保證軌道的強(qiáng)度和穩(wěn)定，鋼軌的附加應(yīng)力最大拉應(yīng)力不超過80 MPa,最大壓應(yīng)力不超過61 MPa,根據(jù)鐵路橋梁設(shè)計(jì)實(shí)踐和眾多文獻(xiàn)資料的研究成果來看，在客貨共線、高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)，軌道的制動(dòng)應(yīng)力通常在10 MPa～40 MPa范圍，制動(dòng)位移1 mm～3 mm以內(nèi)。軌道結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)彎應(yīng)力也是軌道應(yīng)力的重要組成部分，普通鐵路的動(dòng)彎應(yīng)力在100 MPa左右。輕型軌道交通軸重較小，對應(yīng)的動(dòng)彎應(yīng)力和制動(dòng)應(yīng)力相應(yīng)較小。結(jié)合文獻(xiàn)[8]分析，對客運(yùn)專線、輕軌荷載、有軌電車制動(dòng)力進(jìn)行對比(見表5)。

表5 不同荷載制動(dòng)力對比

有軌電車以全部制動(dòng)力均由軌道承受計(jì)算，軌道制動(dòng)附加應(yīng)力約為8 MPa，遠(yuǎn)小于城際鐵路或輕軌交通的制動(dòng)附加應(yīng)力，考慮其動(dòng)彎效應(yīng)也較小，橋墩水平剛度不再成為影響鋼軌安全的控制性因素。

3 既有橋梁的改造

3.1 梁部改造

新建部分梁部時(shí)，需要考慮車輛混行及考慮電纜設(shè)備的布置問題，且為適應(yīng)基礎(chǔ)受力，新建梁部荷載不宜超原設(shè)計(jì)太多。對于利用既有梁部的橋梁，則對橋面進(jìn)行部分改造或全幅改造，改造內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容：

1)軌道結(jié)構(gòu)可選用梁軌一體結(jié)構(gòu)、承軌臺+扣件結(jié)構(gòu)、嵌入式結(jié)構(gòu)三種形式，見圖2～圖4。其優(yōu)缺點(diǎn)比較見表6。

表6 軌道形式優(yōu)缺點(diǎn)比選

軌道形式梁軌一體承軌臺+扣件嵌入式與梁體連接方式橋面鉆孔承軌臺預(yù)埋鋼筋鋼槽預(yù)埋恒載重量輕重輕結(jié)構(gòu)耐久性較好好較好車輛混行不可不可可舒適性一般好好經(jīng)濟(jì)性好一般好受力影響小大小梁體破壞小無無

梁軌一體螺栓植入會(huì)對梁體有輕微破壞，螺栓錨固及疲勞荷載差。承軌臺結(jié)構(gòu)重量大，對梁體承載力要求較高。嵌入式軌道除填充物存在耐久更換問題外，對梁體影響最小，行駛性能也較好，具體車輛混行條件，推薦采用。

2)基礎(chǔ)網(wǎng)和電纜槽。為盡可能的利用橋面空間，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)和電纜槽一般設(shè)置于兩線軌道之間，強(qiáng)弱電分槽布置。

3)伸縮縫。采用扣件式軌道時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)高于橋面，伸縮縫可以和公路橋面選相同型號。采用嵌入式軌道結(jié)構(gòu)時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)嵌入橋面以下，采用常規(guī)公路伸縮縫需在軌道處打斷，無法滿足防水要求，可采用彈性體伸縮縫加鋼蓋板的方式解決此類問題。

3.2 橋墩及基礎(chǔ)改造

下部結(jié)構(gòu)不滿足剛度或變形要求時(shí)，需要對橋墩或支座進(jìn)行改造或加固處理:

1)對于兩跨簡支橋梁，可將固定支座設(shè)置于橋臺處，增大橋梁縱向剛度，減小中墩的制動(dòng)位移。

2)對于多跨橋梁，固定墩墩頂位移較大時(shí)，可以采用設(shè)置雙墩固定支座的方式，增加固定橋墩數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)縱向剛度，減少縱向位移。

3)可以通過設(shè)置速度鎖定器的方式，在制動(dòng)力作用下使多墩聯(lián)動(dòng)，解決剛度問題。

4 結(jié)語

1)荷載標(biāo)準(zhǔn)是評判既有橋梁能否通行有軌電車的基礎(chǔ)條件，采用公路Ⅰ級、汽超—20，98城市A級荷載設(shè)計(jì)的橋梁(尤其是標(biāo)準(zhǔn)梁)，一般具備有軌電車改造的條件。

2)有軌電車橋梁可按墩頂位移控制墩身剛度，可采用更換固定支座位置、多墩聯(lián)合制動(dòng)的方式解決墩頂縱向位移過大的問題。

3)改造橋梁軌道形式建議采用嵌入式軌道，可預(yù)留車輛混行條件，同時(shí)不增加結(jié)構(gòu)自重。

既有橋梁改造技術(shù)在都江堰M(jìn)TR有軌電車項(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得了較好的效果，可供同類工程參考。