郭新偉,牛遠(yuǎn)志,高碧波

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

近年來，現(xiàn)代有軌電車在車輛結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、牽引系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等多方面取得了突破性進(jìn)展，相對于傳統(tǒng)老式有軌電車而言，現(xiàn)代有軌電車具有運能適中、快速便捷、運營靈活、安全舒適、綠色環(huán)保等突出優(yōu)點[1，2]。

佛山市南海區(qū)新型公共交通系統(tǒng)試驗段工程采用現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)，該工程位于繁華市區(qū)及快速發(fā)展的郊區(qū)，為連接城市兩大交通樞紐而建，設(shè)計年限為2016年建成通車。為節(jié)約建筑用地及工程投資，該工程初步設(shè)計階段計劃改造利用某既有橋梁。

2 國外有軌電車系統(tǒng)利用既有橋的實例

進(jìn)入21世紀(jì)以來，現(xiàn)代有軌電車在世界發(fā)達(dá)國家得到了快速而廣泛的發(fā)展，特別是在歐洲發(fā)展的更是如火如荼[3]。

在歐洲，現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)改造利用既有城市橋梁的例子不在少數(shù)。如匈牙利布達(dá)佩斯有軌電車?yán)眉扔谐鞘袠蛄?圖1)、法國巴黎現(xiàn)代有軌電車改造利用既有多瑙河橋(圖2)、英國倫敦現(xiàn)代有軌電車改造利用廢棄城市橋梁等。

圖1 匈牙利布達(dá)佩斯有軌電車?yán)眉扔袠?/p>

圖2 法國巴黎現(xiàn)代有軌電車?yán)眉扔袠?/p>

3 中國公路系統(tǒng)與現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的荷載對比

國內(nèi)現(xiàn)代有軌電車建設(shè)工程多數(shù)仍處于前期研究階段。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，在已建成的為數(shù)不多的幾個項目中(天津、上海、大連、長春)，線路均基本以路基方式敷設(shè)。目前國內(nèi)還沒有現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)改造利用既有城市橋梁的先例，現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)可否利用中國的既有城市橋梁是一個未知數(shù)。

荷載(包括恒載與活載)差異是決定現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)可否利用中國既有城市橋梁的基礎(chǔ)。有軌電車可看作公共汽車與軌道交通的結(jié)合體，其車軸布置與公路汽車的車軸布置具有較大的相似性。中國公路系統(tǒng)與現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的荷載對比見表1。

表1 中國公路系統(tǒng)與現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)荷載對比

由表1可以看出，現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)與中國公路系統(tǒng)相比較而言，恒載較重而活載稍輕?？傮w而言，二者的荷載值差距不大，現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)具備改造利用中國既有城市橋梁的基礎(chǔ)。

4 現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)改造利用既有城市橋梁可行性研究

4.1 既有橋梁現(xiàn)狀

該既有橋為城市橋梁，雙向8車道，2011年11月建成通車，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

設(shè)計荷載：公路-Ⅰ級，人群荷載；

橋梁寬度：分左右兩幅橋，引橋每幅橋?qū)?6.5 m，主橋每幅橋?qū)?9.45 m。

橋型布置如下。

(1)引橋(圖3)

上部結(jié)構(gòu)采用20 m先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，為簡支結(jié)構(gòu)，按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩、預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁、重力式橋臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖3 既有橋引橋部分

(2)主橋(圖4)

圖4 既有橋主橋部分

上部結(jié)構(gòu)采用(55+84+55) m三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主墩采用空心墩，邊墩采用雙柱式橋墩，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

4.2 橋面布置方案研究

由于有軌電車上橋占用部分路面空間，則公路行車范圍必然要壓縮。在保持既有橋梁左、右幅橋通行能力對等的原則下，將有軌電車線路(雙線)的左、右線分置在既有橋梁的左、右幅，改造后的既有橋梁左、右幅橋橋面布置保持對稱。

既有橋單個車道寬度為3.5 m(60 km/h)，現(xiàn)代有軌電車的設(shè)備限界寬度約3.25 m，故可根據(jù)“車道置換”的原則(即1個有軌電車車道占壓1個公路車道的原則)進(jìn)行橋面布置設(shè)計，既有橋梁的每幅橋仍保持4車道：3個公路車道+1個有軌電車車道，這樣可保證改造后橋梁的綜合交通能力不小于改造前的交通能力。由于該現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)需要設(shè)置接觸網(wǎng)立柱及疏散平臺，根據(jù)二者位置的變化，橋面布置方案主要有2種：方案一：疏散平臺在內(nèi)、接觸網(wǎng)立柱在外；方案二：疏散平臺在外、接觸網(wǎng)立柱在內(nèi)，如圖5、圖6所示。

圖5 橋面布置方案一

圖6 橋面布置方案二

由圖5、圖6可以看出，方案二與方案一相比有以下優(yōu)點：

(1)接觸網(wǎng)立柱設(shè)置在線路內(nèi)側(cè)，避免受汽車撞擊影響，接觸網(wǎng)立柱安全、可靠；

(2)疏散平臺設(shè)置在線路外側(cè)，人員直接疏散至公路路面，人員疏散安全、快捷。同時，疏散平臺下設(shè)電纜槽，充分利用橋面空間。

顯然，方案二實現(xiàn)了空間利用效率最大化、行車安全化、人群疏散快速化、安全化，因此推薦采用橋面布置方案二。

4.3 既有橋改造利用方案研究

4.3.1 方案簡介

本方案將有軌電車系統(tǒng)直接設(shè)置在既有橋的橋面上，有軌電車的左、右線分居既有橋的左、右幅。為保證有軌電車無砟軌道與既有橋面的有效連接，鑿除有軌電車線路下部的公路鋪裝層，然后設(shè)置新墊層，并通過植筋、鑿毛等措施使新建墊層與既有橋面有效融合，無砟軌道道床的錨固鋼筋預(yù)埋在新建墊層內(nèi)。

為減小梁部承受的荷載，引橋部分的接觸網(wǎng)立柱均設(shè)置在橋墩蓋梁上，將接觸網(wǎng)立柱荷載直接傳遞到橋墩。主橋部分的接觸網(wǎng)立柱設(shè)置在懸臂板端部，主橋懸臂板采用植筋、增加板厚的方法進(jìn)行局部加固。改造利用方案如圖7～圖10所示。

圖7 引橋橋墩處橫斷面

圖8 引橋梁跨處橫斷面

圖9 主橋橫斷面(設(shè)接觸網(wǎng)立柱)

圖10 主橋橫斷面(不設(shè)接觸網(wǎng)立柱)

4.3.2 既有橋主橋縱向驗算

既有橋主橋為(55+84+55) m連續(xù)箱梁，考慮3線公路車道荷載+1線有軌電車活載，采用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)極限狀態(tài)法[10]進(jìn)行驗算。有限元計算模型見圖11。

圖11 (55+84+55) m連續(xù)箱梁有限元計算模型

經(jīng)驗算，主橋持久狀況承載能力、持久狀況正常使用、持久狀況和短暫狀態(tài)正應(yīng)力等均滿足規(guī)范要求(限于篇幅，不詳細(xì)給出)。其中，最大撓度值發(fā)生在主跨跨中，為25 mm，撓跨比為1/3 360，靜活載撓度滿足現(xiàn)行公路規(guī)范及地鐵規(guī)范的規(guī)定。

4.3.3 既有橋主橋橫向驗算

(1)懸臂板強度驗算

通過對比公路車輛軸重與有軌電車軸重對懸臂板根部產(chǎn)生的荷載作用(考慮沖擊系數(shù))來判定懸臂板的強度是否滿足公路規(guī)范的要求。

由表2可以看出，公路車輛軸重產(chǎn)生的荷載作用大于有軌電車軸重產(chǎn)生的荷載作用，故可判定，有軌電車荷載作用下主橋懸臂板的強度滿足規(guī)范要求。

表2 軸重對懸臂板根部荷載作用對比

(2)懸臂板撓度驗算

驗算有軌電車活載作用下主橋懸臂板的撓度時，有軌電車軸重在一對車輪上分配時，考慮車內(nèi)人群偏載及軌頂高程不等高引起的影響。

由圖12可知，在有軌電車活載作用下，內(nèi)側(cè)軌道處最大豎向位移(下?lián)?為0.662 mm，外側(cè)軌道處最大豎向位移(下?lián)?為1.4 mm，位移差為1.44-0.662=0.74 mm<3 mm。滿足軌道要求。

圖12 主橋橋面板位移(單位：m)

4.3.4 既有橋引橋空心板梁驗算

采用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)極限狀態(tài)法[10]進(jìn)行驗算。

經(jīng)驗算，引橋空心板梁承載能力、持久狀況正常使用、正應(yīng)力等均滿足規(guī)范要求(限于篇幅，不詳細(xì)給出)。其中，在公路靜活載作用下，空心板梁跨中撓度為0.011 m，撓跨比為1/1 818，滿足現(xiàn)行公路規(guī)范的要求；在現(xiàn)代有軌電車靜活載作用下，空心板梁跨中撓度為0.009 m，為跨徑的1/2 222，滿足現(xiàn)行地鐵規(guī)范的要求。

4.3.5 既有橋墩臺縱向水平線剛度驗算

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2003)[8]要求，對于單線城軌高架結(jié)構(gòu)，20 m簡支梁橋墩縱向水平線剛度需大于160 kN/cm；根據(jù)地鐵相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，單線20 m簡支梁橋臺縱向水平線剛度需大于1500 kN/cm；(55+84+55) m連續(xù)梁的主墩縱向水平線剛度需大于1 500 kN/cm，邊墩縱向水平線剛度需大于400 kN/cm。對既有橋的墩臺縱向水平線剛度進(jìn)行檢算，結(jié)果見表3。

表3 既有橋墩臺縱向水平線剛度

由檢算結(jié)果看出，除Pm9、Pm10號墩以外其余墩臺的縱向水平線剛度均滿足要求?？紤]到佛山地區(qū)全年溫差比較小以及墩群的共同作用，經(jīng)驗算，全橋結(jié)構(gòu)可保證軌道的穩(wěn)定性，對無縫線路的安全不會產(chǎn)生影響。因此，可認(rèn)為既有橋墩臺的縱向水平線剛度滿足現(xiàn)代有軌電車無縫線路的要求。

通過對既有城市橋梁全橋各設(shè)計參數(shù)的驗算，結(jié)果表明現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)可以改造利用既有城市橋梁，本改造利用方案是可行的。

5 結(jié)論與建議

(1)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)與中國公路系統(tǒng)相比，恒載較重而活載稍輕，二者的荷載值差距不大。

(2)根據(jù)既有橋梁的車道布置，需要合理整合橋面布置，特別是有軌電車系統(tǒng)采用接觸網(wǎng)供電時，既不得影響既有公路的運營，又要保證有軌電車系統(tǒng)的安全運營。一般情況下，可采用“車道置換”的方式，保持改造后既有橋的通行能力不小于改造前的通行能力。

(3)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)改造利用中國既有城市橋梁(2004年以后設(shè)計建造的，基本可代表中國多數(shù)城市橋梁)是可行的。但要結(jié)合既有橋梁的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行，需要逐個構(gòu)件進(jìn)行檢算，否則有造成工程事故的風(fēng)險。

(4)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)是未來一種理想的交通方式。在工程建設(shè)過程中，會經(jīng)常遇到新建橋梁或改造利用既有橋梁2種方案的抉擇。而改造利用既有橋多數(shù)情況下是更經(jīng)濟(jì)的，因此有必要加強研究，并進(jìn)而推出相關(guān)規(guī)范或規(guī)程以指導(dǎo)設(shè)計。

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