楊 林 董瀚潞

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

1 概述

現(xiàn)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(duì)城市軌道交通系統(tǒng)起輔助、完善作用，同時(shí)在主要功能區(qū)之間起公交骨干作用。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)一線城市已建設(shè)有軌電車系統(tǒng)，許多二線城市也在積極建設(shè)中，發(fā)展前景非常廣闊。

現(xiàn)代有軌電車線路一般敷設(shè)于地上，以路基和橋梁為主。運(yùn)營(yíng)模式為區(qū)間獨(dú)立路權(quán)，道路交叉口混合路權(quán)。有軌電車線路沿既有市政道路敷設(shè)時(shí)，需要滿足道路交通、市政景觀、經(jīng)濟(jì)安全等各方面要求。市區(qū)內(nèi)跨路口、跨河的公路橋梁較多，線路與公路橋梁的關(guān)系密切，當(dāng)遇到既有橋梁時(shí)，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(yùn)專線工程采用了現(xiàn)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(gòu)建了都江堰市的公共交通網(wǎng)絡(luò)體系。線路全長(zhǎng)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(xiàng)目現(xiàn)正在施工，預(yù)計(jì)2020年通車運(yùn)營(yíng)。

某既有橋梁節(jié)點(diǎn)處，線路沿路中敷設(shè)，若提前改至路側(cè)以新建專用橋梁通過(guò)，一方面會(huì)加大道路兩側(cè)拆遷，另一方面有軌電車由路中轉(zhuǎn)向路側(cè)，需設(shè)置獨(dú)立運(yùn)行相位，路口存在延誤，影響行車流暢。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，從線路流暢、節(jié)約用地及工程投資等角度出發(fā)，計(jì)劃改造利用該既有橋梁。

3 改造方案比選

目前，國(guó)內(nèi)有軌電車的項(xiàng)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(shè)年代較近，能滿足有軌電車荷載下的結(jié)構(gòu)安全與結(jié)構(gòu)剛度等相關(guān)要求，則僅對(duì)橋面進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)年代較早，目前性能接近運(yùn)營(yíng)有軌電車的要求，此時(shí)可考慮選擇適宜的加固處理技術(shù)進(jìn)行加固，待加固后再改造利用。該方法能較好的適應(yīng)線路走向，減少橋梁拆除對(duì)交通的影響，但在實(shí)際項(xiàng)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(nèi)的橋梁上、下部結(jié)構(gòu)，包括基礎(chǔ)，宜采用全部新建；既有橋的其余部分需進(jìn)行橋面處理、附屬設(shè)施改造等，該方法有軌電車安全性能得到保障，但實(shí)施過(guò)程對(duì)現(xiàn)狀交通影響較大，造價(jià)高。

以上既有橋梁的改造方案各有利弊，鑒于本項(xiàng)目為旅游客運(yùn)專線，工程建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響應(yīng)盡量減少，線路與周邊環(huán)境應(yīng)和諧統(tǒng)一；同時(shí)考慮到工程建設(shè)進(jìn)度的需求，對(duì)多數(shù)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(duì)比

本既有橋上部結(jié)構(gòu)為1×25 m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)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(hù)欄)+14(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)；設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)。下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)為輕型橋臺(tái)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，如圖1所示。

在JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中，車輛荷載軸重的標(biāo)準(zhǔn)值，后軸為140 kN，軸間距為1.4 m，輪距1.8 m。而本項(xiàng)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(duì)本橋而言，公路車輛荷載的沖擊系數(shù)(1+μ)=1.29；有軌電車豎向荷載動(dòng)力系數(shù)(1+μ)=1.22。橋面局部改造為有軌電車系統(tǒng)后，改造范圍內(nèi)二期恒載增加值約10.2 kN/m，占橋梁結(jié)構(gòu)恒載的比重較小。

經(jīng)以上對(duì)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(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)對(duì)需要改造利用的既有橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論驗(yàn)算分析，并委托有資質(zhì)的專業(yè)單位對(duì)既有橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)材料狀況檢測(cè)及荷載試驗(yàn)檢查，確保方案的安全可靠。

4.2 模型分析

根據(jù)CJJ 242—2016城市道路與軌道交通合建橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定：“對(duì)同時(shí)承受城市道路與軌道交通荷載作用的結(jié)構(gòu)，應(yīng)按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 11城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)”。故本模型采用極限狀態(tài)法進(jìn)行驗(yàn)算。模型的輸入?yún)?shù)均以橋梁竣工圖為準(zhǔn)，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(gè)節(jié)點(diǎn)，201個(gè)單元。該橋有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

動(dòng)力放大系數(shù)按汽車和列車荷載分別計(jì)算并取較大值。經(jīng)驗(yàn)算，該既有橋在同時(shí)承受軌道交通和道路活載時(shí)，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(xiàng)抗力驗(yàn)算及應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)均滿足現(xiàn)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(hào)梁的組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值均小于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，見(jiàn)圖3。

在驗(yàn)算橋跨結(jié)構(gòu)變形時(shí)，考慮混凝土的彈性模量在多次重復(fù)荷載作用后降低約20%～25%，截面剛度按0.8EcI計(jì)算。3號(hào)梁在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

4.3 橋梁檢測(cè)分析

本橋經(jīng)專業(yè)單位進(jìn)行了靜載和動(dòng)載試驗(yàn)檢查。靜載試驗(yàn)是將靜荷載作用在橋梁指定的位置，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫等參量進(jìn)行測(cè)試，從而對(duì)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能和使用性能作出評(píng)價(jià)。動(dòng)載試驗(yàn)是為了測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性(頻率、振型、阻尼比)及動(dòng)力響應(yīng)(加速度時(shí)程曲線、沖擊系數(shù))等，以便對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)做出全面客觀的評(píng)價(jià)。

靜載試驗(yàn)以橋梁跨中橫截面為應(yīng)變測(cè)試截面；以3號(hào)梁為例，其跨中截面在滿載作用下，底面應(yīng)變隨荷載變化如圖4所示。

底面應(yīng)變的變化與理論計(jì)算值趨于一致，且均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度較高；卸載后測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變基本恢復(fù)，說(shuō)明橋梁仍處于彈性工作狀態(tài)。

在滿載作用下，3號(hào)梁順橋向支點(diǎn)、1/4跨、1/2跨、3/4跨位置的撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比如圖5所示。

各點(diǎn)撓度的實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度較高。滿載狀態(tài)下橋面實(shí)測(cè)線形平順，變形值與計(jì)算值基本一致，結(jié)構(gòu)變形正常。

在裂縫測(cè)試過(guò)程中，主要承重構(gòu)件主要受力部位附近均未發(fā)現(xiàn)裂縫。

動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果中，結(jié)構(gòu)基頻實(shí)測(cè)值(5.76 Hz)大于理論計(jì)算值(4.49 Hz)，表面結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度；其余各項(xiàng)動(dòng)力特性指標(biāo)也在正常值以內(nèi)。通過(guò)靜載和動(dòng)載試驗(yàn)，表明該既有橋的強(qiáng)度和剛度均滿足“公路—Ⅰ級(jí)”荷載作用下的正常使用要求。

通過(guò)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(shè)計(jì)方案采用改造該既有橋。

5 結(jié)語(yǔ)

1)目前國(guó)內(nèi)既有城市橋梁(按04公路規(guī)范及后續(xù)新規(guī)范設(shè)計(jì)建造的)，雖然具備一定的改造基礎(chǔ)，但在有軌電車項(xiàng)目中，應(yīng)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(yīng)考慮對(duì)原有橋梁通行能力的影響。本節(jié)點(diǎn)橋的設(shè)計(jì)中，道路權(quán)屬部門也在升級(jí)拓寬道路，恰好解決了有軌電車占用中間車道后對(duì)原通行能力的影響。

2)有軌電車項(xiàng)目中，對(duì)市郊中小橋梁，改造方案相對(duì)可行。而市區(qū)繁忙節(jié)點(diǎn)的大中型橋梁，改造、拼寬工程量大，造價(jià)成本高、施工周期長(zhǎng)、社會(huì)反響大，此時(shí)選擇改造方案時(shí)宜慎重，須進(jìn)行多方面的影響論證，確保方案可行。

3)改造后的橋梁，既運(yùn)行汽車又運(yùn)行有軌電車，運(yùn)營(yíng)期的安全風(fēng)險(xiǎn)高。應(yīng)通過(guò)開(kāi)展工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定有效的應(yīng)對(duì)橋梁風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策，完善橋梁風(fēng)險(xiǎn)管理體系，從而做好橋梁的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、安全監(jiān)控等方面工作，提高橋梁結(jié)構(gòu)自身安全和交通運(yùn)行安全的性能。