膠輪有軌電車高架橋梁部結(jié)構(gòu)形式研究

滕炳杰

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計顧問有限公司，江蘇蘇州 215123）

1 前言

隨著國內(nèi)軌道交通的蓬勃發(fā)展，越來越多的軌道交通高架線投入運(yùn)營。國內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目中高架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)代表了新型交通運(yùn)輸體系的興起。2001年，中國第一條高架城市軌道交通線路上海明珠線建成通車，隨后北京城市鐵路、大連市軌道交通3號線、北京地鐵八通線、天津輕軌濱海線、上海輕軌莘閔線等高架線路相繼建成通車。目前，在各大城市的軌道交通網(wǎng)中，高架線的比例不小于30%，而在各大城市修建的郊區(qū)線中高架線的比例基本維持在50%左右，可以看出，高架結(jié)構(gòu)逐漸成為城市軌道交通的重要組成部分。

隨著多項(xiàng)政策的陸續(xù)出臺，我國城市軌道交通發(fā)展政策變得更加清晰，層次更加明確，制式更加多元化，有利于城市軌道交通多制式的健康發(fā)展。膠輪有軌電車填補(bǔ)了中國自主化城市軌道交通制式的空白，可廣泛用于大中城市主干線和超大型城市交通支線和加密線。膠輪有軌電車是有軌電車的一種類型，采用橡膠車輪，利用走行輪和設(shè)于走行輪下方、內(nèi)側(cè)的導(dǎo)向輪，實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)軌梁上行進(jìn)和轉(zhuǎn)向。以高架敷設(shè)方式為主，可采用無人駕駛技術(shù)。單向小時運(yùn)量不大于10 000人次，為低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)，具有編組靈活、能耗低、噪聲小、運(yùn)營維護(hù)簡便、輕量化、多樣化供電制式、獨(dú)立路權(quán)等特點(diǎn)。圖1 為膠輪式有軌電車高架區(qū)間效果圖。

圖1 膠輪式有軌電車高架區(qū)間效果圖

2 工程概況

貴陽市有軌電車T2線一期工程起于長嶺北路與林城東路路口，止于二十六大道與白金大道路口北側(cè)，主要沿長嶺北路、白金大道、天元路、鋁興路、科創(chuàng)南路及高納路敷設(shè)，線路全長10.92 km，其中高架線10.72 km，地面線0.2 km，在二十六大道與科創(chuàng)北路西北側(cè)設(shè)車輛段1座。

一期工程起點(diǎn)站到終點(diǎn)站依次為國際生態(tài)會議中心站、金珠東路站、東林寺路站、龍嶺路站、白云南路站、天元路站、艷山紅三號路站、金塘北街站、云環(huán)東路站、黎陽大道站、高納路站、高海路站、二十六大道站，共計車站13座，最大站間距1.54 km，最小站間距0.52 km，平均站間距0.89 km，均為高架島式車站。

3 結(jié)構(gòu)體系比選

3.1 常用結(jié)構(gòu)體系簡介

目前，城市軌道交通橋梁使用的結(jié)構(gòu)體系主要有簡支梁、連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)。

（1）簡支梁。簡支梁橋是梁橋中應(yīng)用最為廣泛的一種橋型，即梁的兩端擱置在支座上，支座僅約束梁的垂直位移，梁端是可自由轉(zhuǎn)動的單跨結(jié)構(gòu)，如圖2所示。簡支梁受力明確、構(gòu)造簡單，最易設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)跨徑的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)；并且布跨靈活，施工簡單，工序少；在大面積區(qū)間范圍內(nèi)采用，由于各跨構(gòu)造和尺寸統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、機(jī)械化施工；利于維修保養(yǎng)，簡化施工管理工作，降低施工費(fèi)用。城市軌道交通是公共交通，一旦中斷影響極大，必須快速修通，因此簡支梁比連續(xù)梁在快速修復(fù)方面有明顯的優(yōu)勢。

圖2 簡支梁立面布置圖（單位：m）

（2）連續(xù)梁。連續(xù)梁為2跨或2跨以上連續(xù)的梁橋，屬于超靜定體系，在恒載作用下，由于支點(diǎn)負(fù)彎矩的卸載作用，跨中最大正彎矩顯著減小，如圖3所示。與相同跨度簡支梁比，梁部材料用量指標(biāo)相應(yīng)較小，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對改善，但這種體系對收縮、徐變、溫度及支座不均勻沉降反應(yīng)比簡支梁要敏感。同時，連續(xù)梁構(gòu)造較簡支梁復(fù)雜，技術(shù)要求高，多采用現(xiàn)澆法施工， 即使采用簡支變連續(xù)施工方法也需現(xiàn)場施工作業(yè)，工期較長，對周圍交通環(huán)境等影響很大，多適用于墩臺基礎(chǔ)沉降易于控制、橋梁長度短、工期較長的情況。

圖3 連續(xù)梁體系立面布置圖（單位：m）

（3）連續(xù)剛構(gòu)。連續(xù)剛構(gòu)在連續(xù)梁橋中，將墩身與主梁固結(jié)成一體，由于墩身與主梁形成剛架，承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，一方面主梁受力合理，另一方面墩身在結(jié)構(gòu)上充分發(fā)揮了潛能，如圖4所示。受力特性如同連續(xù)梁，在墩頂處為負(fù)彎矩，跨中為正彎矩，設(shè)計比較靈活，可用調(diào)整梁與墩柱剛度比的方法，降低梁高。結(jié)構(gòu)的上部和下部作為一個整體承受荷載，受力較合理，桿件可設(shè)計得較細(xì)小，結(jié)構(gòu)重量輕。由于連續(xù)剛構(gòu)體系采用墩梁固結(jié)的構(gòu)造，避免了有支座體系在墩梁間設(shè)置支座而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)繁雜感。但也存在對收縮、徐變、不均勻沉降敏感，施工工期長，對周圍交通環(huán)境等影響大的問題。

圖4 連續(xù)剛構(gòu)立面布置圖（單位：m）

3.2 結(jié)構(gòu)體系比選

對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行詳細(xì)比選，比選內(nèi)容如表1 所示。連續(xù)結(jié)構(gòu)存在以下工程風(fēng)險：連續(xù)梁不均勻沉降超過設(shè)計允許值， 若沒有及時發(fā)現(xiàn)， 將引起結(jié)構(gòu)開裂， 尤其是小跨度連續(xù)結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)不均勻沉降反應(yīng)敏感；支座調(diào)整的不確定性使其在施工和運(yùn)營期都需要進(jìn)行長期觀測、調(diào)整，工作量大；連續(xù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降控制值也在一定程度上增加基礎(chǔ)的工程量。在施工工期、施工難度、施工質(zhì)量控制、對周圍環(huán)境影響等重要方面，簡支結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢，因此在高架區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段推薦采用簡支結(jié)構(gòu)。

表1 結(jié)構(gòu)體系比較表

4 梁型比選

膠輪有軌電車是在傳統(tǒng)有軌電車基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)升級，屬于新型有軌電車系統(tǒng)，采用膠輪導(dǎo)向，在梁面上運(yùn)行。在膠輪有軌電車系統(tǒng)中，軌道梁既是承受車輛載荷的承重結(jié)構(gòu)，又是車輛運(yùn)行的軌道，其結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌制式有軌電車系統(tǒng)所采用的區(qū)間橋梁結(jié)構(gòu)形式有較大區(qū)別。

圖5 給出了區(qū)間高架限界示意圖，由圖5可見，由于有軌電車車輛的特殊性，在梁體的腹腔內(nèi)需滿足限界要求，因此梁體需采用U形鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)。本次標(biāo)準(zhǔn)梁型比選按30 m簡支梁橋型進(jìn)行比選，在技術(shù)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求的條件下，比選H型鋼U形梁和預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁。計算采用空間有限元軟件MIDAS/Civil，對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，計算模型如圖6、圖7所示。

圖5 區(qū)間高架限界示意圖（單位：mm）

圖6 H型鋼U形梁計算模型

圖7 預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁計算模型

4.1 H 型鋼 U 形梁

4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

H型鋼U形梁跨徑30 m，梁長29.9 m，梁高1.4 m。每線的2片偏心H型鋼采用鋼橫梁連接，鋼橫梁間距1.0 m，在橫梁上鋪設(shè)花紋鋼板作為疏散平臺及檢修通道使用，其截面構(gòu)造如圖8所示。

圖8 H型鋼U形梁截面（單位：mm）

4.1.2 導(dǎo)軌梁豎向撓度及梁端錯縫高差計算

活載作用下導(dǎo)軌梁跨中豎向撓度及梁端錯縫高差如表2所示，根據(jù)《膠輪有軌電車交通系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（DBJ 52/T092-2019）第10.3剛度要求，導(dǎo)軌梁在靜活載作用下，最大豎向撓度不應(yīng)大于其跨度的1/800；在活載作用下，梁端走行面錯縫高差不宜大于2 mm。計算結(jié)果表明，梁體豎向最大撓度及梁端錯縫高差均滿足規(guī)范要求。

表2 導(dǎo)軌梁豎向撓度及錯縫梁端高差計算 mm

4.1.3 應(yīng)力計算結(jié)果

應(yīng)力驗(yàn)算采用承載能力極限狀態(tài)法，在基本組合作用下，梁體的正應(yīng)力及剪應(yīng)力如表3所示，表中拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。導(dǎo)軌梁正應(yīng)力極值為212.9 MPa，剪應(yīng)力僅為19.2 MPa；橫梁正應(yīng)力極值為177.6 MPa，剪應(yīng)力僅為12.5 MPa。由此可見，梁體應(yīng)力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且剪應(yīng)力富裕較大。

表3 導(dǎo)軌梁應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

4.2 預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁

4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁跨徑30 m，梁長29.9 m， U形等截面，梁高為1.4 m，腹板厚0.25 m，底板厚0.25 m，采用C50混凝土。由于預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁底板連通，故無需另外設(shè)置疏散平臺及檢修通道。截面構(gòu)造如圖9所示。

圖9 預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁截面圖（單位：mm）

4.2.2 計算結(jié)果

現(xiàn)選取跨中及支點(diǎn)為控制截面，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）進(jìn)行驗(yàn)算，導(dǎo)軌梁在承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下的關(guān)鍵指標(biāo)驗(yàn)算結(jié)果如表4所示。表4計算結(jié)果表明，混凝土導(dǎo)軌梁的強(qiáng)度及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表4 導(dǎo)軌梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

4.3 方案比選

根據(jù)上述計算結(jié)果，H型鋼U形梁和預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁方案各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計規(guī)范要求，預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁剛度較大，2個方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表5。

表5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比表

5 結(jié)論

從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、剛度、防火防滑等方面考慮，預(yù)應(yīng)力混凝土梁性能優(yōu)良，但由于其制作精度要求高、控制工藝復(fù)雜，需設(shè)置預(yù)制梁場且需做專門的工法設(shè)計，制造過程繁瑣，吊裝重量大，施工速度慢；鋼梁工廠制作精度較易控制、自重輕、易吊裝，同時考慮到道路交通繁忙，H型鋼梁吊裝速度快，吊車噸位小，對現(xiàn)狀交通干擾更小，更適用于裝配式結(jié)構(gòu)。因此，正線及出入段線推薦H型鋼U形梁作為標(biāo)準(zhǔn)段梁體形式。由于在車輛基地內(nèi)導(dǎo)軌梁已經(jīng)落地，且車輛基地內(nèi)對軌道梁制作精度要求較低，景觀效果要求不高，因此，車輛基地推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁。