延力強(qiáng)

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

云巴膠輪有軌電車(以下簡(jiǎn)稱“云巴”)是一種隨著新技術(shù)的發(fā)展涌現(xiàn)出來的新型軌道交通方式，以高架敷設(shè)為主，是基于傳統(tǒng)膠輪導(dǎo)軌系統(tǒng)進(jìn)行小型化研發(fā)而產(chǎn)生的具有獨(dú)立路權(quán)的新型小運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)[1]。車輛采用橡膠輪胎實(shí)現(xiàn)行駛和導(dǎo)向，主要用于短距離公共交通，設(shè)計(jì)最高速度為60～80 km/h，列車最大長(zhǎng)度為75 m[2]。

云巴建設(shè)成本低，造價(jià)低于2億元/km，是地鐵造價(jià)的1/4～1/3，此外，云巴還具有建造周期短的優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于大中城市主要交通線路、超大型城市交通加密線，為居民提供智能、舒適、便捷的出行體驗(yàn)，有助于解決城市交通擁擠的難題，提升了城市交通出行效率[3]，云巴項(xiàng)目效果展示見圖1。

圖1 云巴項(xiàng)目效果展示

云巴項(xiàng)目主要采用連續(xù)鋼軌道梁，由于橋面即軌道面，鋼梁的加工制造水平、現(xiàn)場(chǎng)鋼梁架設(shè)方案，都會(huì)成橋后的軌道梁線形產(chǎn)生影響[4]。目前，國(guó)內(nèi)的深圳坪山云巴、重慶璧山云巴、西安云巴、天津西青云巴等項(xiàng)目均采用調(diào)整墊石厚度、增加支座墊片等措施對(duì)梁體線形進(jìn)行初調(diào)，但仍然存在梁體豎向線形與設(shè)計(jì)值偏差較大等問題。

在鐵路、公路等交通領(lǐng)域，對(duì)于橋梁梁體線形控制，除了設(shè)置預(yù)拱度外，都有成熟的二次調(diào)整梁體線形的措施。鐵路橋梁主要是通過調(diào)整道砟或者軌道板的厚度來實(shí)現(xiàn)軌面高程控制[5]；公路橋主要采用的方法有：直接加鋪法、疊合梁法、整體頂升法、加鋪與整體頂升結(jié)合法等[6]；跨座式單軌軌道梁則主要采用增減調(diào)整墊片、調(diào)整楔形塊的位置、吊車橫縱向移動(dòng)梁片的方法[7]。

依托某云巴膠輪有軌電車項(xiàng)目，結(jié)合類似于公路橋梁的加鋪法、疊合梁法對(duì)軌道梁二次線形調(diào)整方案進(jìn)行了深入研究，提出了在鋼軌道梁頂面增設(shè)防腐防滑鋪裝、花紋鋼板、可調(diào)鋼矮梁、可調(diào)鋼筋混凝土矮梁等4種方案，并分析各方案的可行性，為今后類似結(jié)構(gòu)形式軌道梁橋設(shè)計(jì)提供參考。

2 原結(jié)構(gòu)方案

本項(xiàng)目橋梁及軌道二合一，車輛采用內(nèi)嵌式走行模式，走行輪位于導(dǎo)軌梁兩側(cè)窄箱梁頂面，導(dǎo)向輪位于箱梁內(nèi)側(cè)，箱梁頂板向內(nèi)側(cè)伸出130 mm，可阻擋導(dǎo)向輪，防止列車傾覆。在橫向上敷設(shè)鋼網(wǎng)片作為疏散平臺(tái)。走行輪、導(dǎo)向輪與軌道梁相對(duì)關(guān)系見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)向架與軌道梁相對(duì)關(guān)系

本項(xiàng)目采用以3×30 m為基本跨的連續(xù)鋼軌道梁，跨越路口地段主要采用跨度為40 m、44 m的連續(xù)鋼梁。以(20+44+20)m連續(xù)鋼梁為例，單線主梁橫向?qū)?.7 m，梁高1.6 m，窄鋼箱結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)凈間距為1.2 m，鋼箱間采用“橫向聯(lián)系+斜撐”連接。鋼梁頂板厚22 mm、底板厚22 mm、腹板厚18 mm，鋼材材質(zhì)為Q355qC，鋼梁橫斷面見圖3。

圖3 連續(xù)軌道鋼梁橫斷面(單位：mm)

3 方案研究

原軌道梁走行面采用的是刻花紋防滑方案，花紋圓弧間距為10 mm，花紋圓弧直徑為300～500 mm，溝槽深度為0.7～1.2 mm，橋面花紋方案見圖4。

圖4 橋面花紋云等

3.1 走行面增設(shè)防腐防滑鋪裝

防腐防滑鋪裝采用的是薄層環(huán)氧橋面鋪裝材料，其厚度僅為5～15 mm，由環(huán)氧膠黏劑和單一粒徑耐磨集料組合而成，與傳統(tǒng)的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝材料相比，環(huán)氧黏結(jié)劑黏結(jié)強(qiáng)度高，耐熱性好[8]，在虎門二橋、南京鐵心橋等公路橋梁項(xiàng)目上已有一些應(yīng)用(見圖5、圖6)。

圖5 環(huán)氧材料輔裝情況

圖6 環(huán)氧材料應(yīng)用情況

相關(guān)試驗(yàn)證明，在10 mm厚的鋼橋面鋪裝7 mm厚環(huán)氧鋪裝層，可以達(dá)到100萬(wàn)次的設(shè)計(jì)使用壽命，并具有很高的安全系數(shù)[9]。

3.2 走行面增設(shè)花紋鋼板方案

對(duì)“5 mm花紋鋼板+高性能砂漿灌注”方案進(jìn)行調(diào)整，花紋鋼板與鋼梁頂板間采用可調(diào)高雙螺母連接，并進(jìn)行高程的控制。螺栓沿順橋向間距為0.5 m，調(diào)整到位后，從外側(cè)插入U(xiǎn)形墊片，墊片的厚度分為0.5，1.0，2.0，3.0 mm等幾種類型，之后采用高性能砂漿將花紋鋼板與頂板間的空隙灌注密實(shí)，方案見圖7。

圖7 花紋鋼板方案(單位：mm)

3.3 增設(shè)可調(diào)鋼矮梁方案

本方案中，將原鋼梁窄箱高度降低0.32 m，在鋼梁頂部增加0.32 m高可調(diào)高鋼矮梁，重新提供走行面和導(dǎo)向面。具體施工步驟如下。

新增“20 mm花紋鋼板+14 mm導(dǎo)向鋼板”方案，在工廠內(nèi)加工并焊接螺栓桿，沿線路方向300 mm間距增設(shè)矩形支撐鋼架，調(diào)平走行面及導(dǎo)向面鋼板，焊接矩形支撐鋼架與原走行面，再精調(diào)走行面鋼板，方案見圖8。

圖8 增設(shè)可調(diào)鋼矮梁方案(單位：mm)

3.4 增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案

本方案中，將原鋼梁窄箱高度降低0.32 m，在鋼梁頂部增加鋼筋混凝土矮梁，形成鋼混結(jié)合梁。在混凝土面上設(shè)20 mm花紋鋼板，重新提供走行面和導(dǎo)向面。在花紋鋼板上焊接M20螺栓，螺紋栓釘采用螺紋套筒連接，調(diào)節(jié)走行面縱橫向高程線形。鋼筋混凝土矮梁高0.3 m，寬0.25 m，采用高性能混凝土，HRB400鋼筋，方案見圖9。

圖9 增設(shè)鋼筋混凝土矮梁方案(單位：mm)

4 方案比選

4.1 走行面增加防腐防滑鋪裝方案

本方案的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低，缺點(diǎn)如下。

(1)豎向線形調(diào)整值<7 mm時(shí)，在承受列車碾壓作用下，鋪裝層容易翹曲，故鋪裝層厚度最小值應(yīng)≮7 mm。

(2)缺少環(huán)氧涂裝材料在鋼軌道梁走行面大規(guī)模應(yīng)用的實(shí)例，材料性能尚未得到驗(yàn)證[10]。

(3)環(huán)氧涂裝材料使用壽命期為10～15年，后期養(yǎng)護(hù)維修比較困難[11]。

故該方案不能滿足要求。

4.2 走行面增設(shè)花紋鋼板方案

本方案豎向線形調(diào)整簡(jiǎn)單，并且可以多次調(diào)整線形，造價(jià)較低；主要缺點(diǎn)是灌漿密實(shí)度無法得到保證，車輛碾壓下，花紋鋼板容易變形，灌漿前增加的模板不易安裝、固定[12]。

故該方案不能滿足要求。

4.3 增設(shè)可調(diào)鋼矮梁方案

本方案的優(yōu)點(diǎn)是能調(diào)整豎向線形，加工、安裝比較方便，增加了軌道梁的整體剛度；缺點(diǎn)有如下幾個(gè)方面。

(1)螺栓拉壓交替受力，疲勞驗(yàn)算不滿足要求。

(2)方鋼內(nèi)必須安裝橫隔板，無法保證焊接質(zhì)量。

(3)方鋼內(nèi)側(cè)的螺母無法擰緊安裝。

(4)車輛荷載作用下螺絲帽易松動(dòng)，存在嚴(yán)重的安全隱患。

(5)雨水浸濕、潮濕環(huán)境下鋼材銹蝕環(huán)節(jié)過多、無法檢查部件甚多。

故該方案不能滿足要求。

4.4 增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案

該方案能調(diào)整豎向線形，施工方便，造價(jià)較低，增加了軌道梁的整體剛度，列車行駛舒適性得到提高，故推薦該方案。

5 經(jīng)濟(jì)對(duì)比

增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案與純鋼梁方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比見表1，由表1可知，采用增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案后，(20+44+20)m梁的整體造價(jià)降低約13%。

表1 可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案與純鋼梁方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比

6 結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算

6.1 模型建立

以(20+44+20)m連續(xù)梁為例，上側(cè)增設(shè)鋼筋混凝土矮梁，建立空間模型，共有單元449個(gè)，節(jié)點(diǎn)345個(gè)，空間模型見圖10。

圖10 連續(xù)結(jié)合梁空間模型

6.2 結(jié)合梁抗彎承載力驗(yàn)算

(1)鋼梁承載力驗(yàn)算

對(duì)鋼梁承載能力進(jìn)行分析，應(yīng)考慮正負(fù)彎矩區(qū)鋼梁的上下翼緣應(yīng)力，主要計(jì)算結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 鋼梁基本組合上翼緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖12 鋼梁基本組合下翼緣應(yīng)力(單位：MPa)

由圖11可知，鋼梁上翼緣最大拉應(yīng)力為175.1 MPa，最大壓應(yīng)力為110.6 MPa，鋼板厚度為22 mm，應(yīng)力允許值為270 MPa，滿足規(guī)范要求[13]。

(2)鋼梁下翼緣

由圖12可知，鋼梁下翼緣最大拉應(yīng)力111.0 MPa，最大壓應(yīng)力184.1 MPa，鋼板厚度為22 mm，應(yīng)力允許值為270 MPa，滿足規(guī)范要求。

(2)混凝土橋面抗彎承載能力驗(yàn)算

橋面板在縱向上屬于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算要求，分別計(jì)算混凝土板和鋼筋的應(yīng)力，主要計(jì)算結(jié)果見圖13、圖14。

圖13 混凝土基本組合最大壓應(yīng)力(單位：MPa)

圖14 混凝土基本組合拉應(yīng)力(單位：MPa)

由圖13可知，在基本組合作用下，混凝土的最大壓應(yīng)力為15.6 MPa，應(yīng)力允許值為22.4 MPa，滿足規(guī)范要求。

鋼筋的應(yīng)力按照混凝土應(yīng)力進(jìn)行折算，認(rèn)為鋼筋與混凝土不發(fā)生滑移，兩者應(yīng)變相同，鋼筋應(yīng)力為同位置處橋面板應(yīng)力的ES/E′倍(E′為考慮負(fù)彎矩開裂的混凝土等效模量)。在上述荷載組合下，負(fù)彎矩區(qū)混凝土最大拉應(yīng)力9.2 MPa，由此可得負(fù)彎矩區(qū)鋼筋的最大拉應(yīng)力為253.2 MPa，小于允許應(yīng)力270 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)結(jié)合梁豎向抗剪承載力驗(yàn)算

結(jié)合梁豎向抗剪承載力驗(yàn)算，主要計(jì)算結(jié)果見圖15、圖16。

圖15 鋼梁基本組合最大剪應(yīng)力(單位：MPa)

圖16 鋼梁基本組合折算剪應(yīng)力(單位：MPa)

由圖15可知，在基本組合作用下，鋼主梁最大剪應(yīng)力發(fā)生在中支點(diǎn)附近，最大剪應(yīng)力值為21.7 MPa，小于剪應(yīng)力允許值155 MPa，滿足規(guī)范要求[14]。

由圖16可知，在基本組合作用下，鋼主梁最大剪應(yīng)力發(fā)生在中支點(diǎn)附近，最大正應(yīng)力184.1 MPa，折算應(yīng)力為187.9 MPa，小于容許應(yīng)力270 MPa，滿足規(guī)范要求。

(4)結(jié)合梁縱向抗剪承載力驗(yàn)算

結(jié)合梁縱向抗剪承載力驗(yàn)算主要見表2、表3，由表2、表3可知，結(jié)合梁縱向抗剪驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

表2 截面抗剪承載力

表3 縱向抗剪驗(yàn)算

(5)整體穩(wěn)定驗(yàn)算

在成橋階段，鋼梁與混凝土形成組合截面，考慮一期、二期恒載和列車荷載，得到臨界穩(wěn)定系數(shù)為51.2，滿足規(guī)范要求。一階失穩(wěn)模態(tài)見圖17。

圖17 組合結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)

(6)按公路規(guī)范進(jìn)行疲勞驗(yàn)算

疲勞驗(yàn)算結(jié)果見表4、表5。

表4 正應(yīng)力疲勞驗(yàn)算 MPa

表5 剪應(yīng)力疲勞驗(yàn)算 MPa

6.3 持久狀況-正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

在持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中，驗(yàn)算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的撓度驗(yàn)算和混凝土橋面板縱向裂縫計(jì)算。

(1)撓度驗(yàn)算

考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)主梁的最大撓度示意見圖18，由圖18可知，考慮放大系數(shù)后的位移值為35.5 mm，小于位移允許值88 mm。

圖18 主梁最大撓度示意(單位：mm)

(2)橋面板縱向裂縫驗(yàn)算

圖19 頻遇組合混凝土拉應(yīng)力示意(單位：MPa)

中支點(diǎn)上緣混凝土橋面板的裂縫寬度結(jié)果見表6。

表6 裂縫寬度驗(yàn)算

6.4 短暫狀況-承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

(1)鋼梁應(yīng)力驗(yàn)算

鋼梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見表7，由表7可知，整個(gè)施工過程，鋼主梁的最大壓應(yīng)力發(fā)生于二期恒載施工完成后，最大值為61.9 MPa，小于應(yīng)力允許值270 MPa；鋼主梁最大拉應(yīng)力發(fā)生于墩頂混凝土澆筑完成后，最大值為59.0 MPa，小于應(yīng)力允許值270 MPa，均滿足規(guī)范要求。

表7 各施工階段鋼主梁應(yīng)力 MPa

(2)混凝土應(yīng)力驗(yàn)算

施工階段混凝土橋面板，混凝土最大應(yīng)力發(fā)生在二期鋪裝施工階段。該階段混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為1.56 MPa，小于允許應(yīng)力值1.83 MPa；而后收縮徐變階段，由于墩梁固結(jié)，收縮徐變會(huì)引起混凝土產(chǎn)生較大應(yīng)力。

(3)施工過程穩(wěn)定驗(yàn)算

施工階段鋼梁的穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)安全計(jì)算的重要部分，在鋪設(shè)混凝土后，鋼梁與混凝土未形成整體的階段，鋼梁處于最不穩(wěn)定的受力狀態(tài)。此時(shí)荷載取鋼梁和混凝土自重，以鋼梁和混凝土自重為變量驗(yàn)算穩(wěn)定。由計(jì)算可知，澆筑跨中混凝土階段最不利，此時(shí)鋼主梁的穩(wěn)定系數(shù)為69.8，滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比鐵路、公路、新型軌道交通等領(lǐng)域橋梁的二次線形處理措施，認(rèn)為在云巴膠輪有軌電車鋼軌道梁頂面增設(shè)防腐防滑鋪裝、花紋鋼板、可調(diào)鋼矮梁、可調(diào)鋼筋混凝土矮梁等4種方案。通過對(duì)比各方案實(shí)現(xiàn)的難易程度，認(rèn)為增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案技術(shù)較為合理。通過與原結(jié)構(gòu)方案相比，增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案可降低整體造價(jià)13%；通過對(duì)(20+44+20)m連續(xù)鋼混結(jié)合梁進(jìn)行空間計(jì)算分析，各項(xiàng)驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案的可行性，得出增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案結(jié)構(gòu)安全的結(jié)論。