現代有軌電車系統改造利用既有城市橋梁可行性研究

郭新偉,牛遠志,高碧波

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

近年來，現代有軌電車在車輛結構、材質、牽引系統及控制系統等多方面取得了突破性進展，相對于傳統老式有軌電車而言，現代有軌電車具有運能適中、快速便捷、運營靈活、安全舒適、綠色環保等突出優點[1，2]。

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

2 國外有軌電車系統利用既有橋的實例

進入21世紀以來，現代有軌電車在世界發達國家得到了快速而廣泛的發展，特別是在歐洲發展的更是如火如荼[3]。

在歐洲，現代有軌電車系統改造利用既有城市橋梁的例子不在少數。如匈牙利布達佩斯有軌電車利用既有城市橋梁(圖1)、法國巴黎現代有軌電車改造利用既有多瑙河橋(圖2)、英國倫敦現代有軌電車改造利用廢棄城市橋梁等。

圖1 匈牙利布達佩斯有軌電車利用既有橋

圖2 法國巴黎現代有軌電車利用既有橋

3 中國公路系統與現代有軌電車系統的荷載對比

國內現代有軌電車建設工程多數仍處于前期研究階段。經現場調研，在已建成的為數不多的幾個項目中(天津、上海、大連、長春)，線路均基本以路基方式敷設。目前國內還沒有現代有軌電車系統改造利用既有城市橋梁的先例，現代有軌電車系統可否利用中國的既有城市橋梁是一個未知數。

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

表1 中國公路系統與現代有軌電車系統荷載對比

由表1可以看出，現代有軌電車系統與中國公路系統相比較而言，恒載較重而活載稍輕。總體而言，二者的荷載值差距不大，現代有軌電車系統具備改造利用中國既有城市橋梁的基礎。

4 現代有軌電車系統改造利用既有城市橋梁可行性研究

4.1 既有橋梁現狀

該既有橋為城市橋梁，雙向8車道，2011年11月建成通車，其技術標準如下。

設計荷載：公路-Ⅰ級，人群荷載；

橋梁寬度：分左右兩幅橋，引橋每幅橋寬16.5 m，主橋每幅橋寬19.45 m。

橋型布置如下。

(1)引橋(圖3)

上部結構采用20 m先張法預應力混凝土空心板，為簡支結構，按部分預應力A類構件設計。下部結構采用雙柱式橋墩、預應力混凝土蓋梁、重力式橋臺、鉆孔灌注樁基礎。

圖3 既有橋引橋部分

(2)主橋(圖4)

圖4 既有橋主橋部分

上部結構采用(55+84+55) m三向預應力混凝土連續箱梁。主墩采用空心墩，邊墩采用雙柱式橋墩，基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

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)，現代有軌電車的設備限界寬度約3.25 m，故可根據“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)進行橋面布置設計，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。由于該現代有軌電車系統需要設置接觸網立柱及疏散平臺，根據二者位置的變化，橋面布置方案主要有2種：方案一：疏散平臺在內、接觸網立柱在外；方案二：疏散平臺在外、接觸網立柱在內，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點：

(1)接觸網立柱設置在線路內側，避免受汽車撞擊影響，接觸網立柱安全、可靠；

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

顯然，方案二實現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直接設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埋在新建墊層內。

為減小梁部承受的荷載，引橋部分的接觸網立柱均設置在橋墩蓋梁上，將接觸網立柱荷載直接傳遞到橋墩。主橋部分的接觸網立柱設置在懸臂板端部，主橋懸臂板采用植筋、增加板厚的方法進行局部加固。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(設接觸網立柱)

圖10 主橋橫斷面(不設接觸網立柱)

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《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)極限狀態法[10]進行驗算。有限元計算模型見圖11。

圖11 (55+84+55) m連續箱梁有限元計算模型

經驗算，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正應力等均滿足規范要求(限于篇幅，不詳細給出)。其中，最大撓度值發生在主跨跨中，為25 mm，撓跨比為1/3 360，靜活載撓度滿足現行公路規范及地鐵規范的規定。

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生的荷載作用(考慮沖擊系數)來判定懸臂板的強度是否滿足公路規范的要求。

由表2可以看出，公路車輛軸重產生的荷載作用大于有軌電車軸重產生的荷載作用，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，內側軌道處最大豎向位移(下撓)為0.662 mm，外側軌道處最大豎向位移(下撓)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《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)極限狀態法[10]進行驗算。

經驗算，引橋空心板梁承載能力、持久狀況正常使用、正應力等均滿足規范要求(限于篇幅，不詳細給出)。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，滿足現行公路規范的要求；在現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，滿足現行地鐵規范的要求。

4.3.5 既有橋墩臺縱向水平線剛度驗算

根據《地鐵設計規范》(GB 50157—2003)[8]要求，對于單線城軌高架結構，20 m簡支梁橋墩縱向水平線剛度需大于160 kN/cm；根據地鐵相關設計經驗，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行檢算，結果見表3。

表3 既有橋墩臺縱向水平線剛度

由檢算結果看出，除Pm9、Pm10號墩以外其余墩臺的縱向水平線剛度均滿足要求。考慮到佛山地區全年溫差比較小以及墩群的共同作用，經驗算，全橋結構可保證軌道的穩定性，對無縫線路的安全不會產生影響。因此，可認為既有橋墩臺的縱向水平線剛度滿足現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計參數的驗算，結果表明現代有軌電車系統可以改造利用既有城市橋梁，本改造利用方案是可行的。

5 結論與建議

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

(2)根據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采用接觸網供電時，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)現代有軌電車系統改造利用中國既有城市橋梁(2004年以后設計建造的，基本可代表中國多數城市橋梁)是可行的。但要結合既有橋梁的結構特點進行，需要逐個構件進行檢算，否則有造成工程事故的風險。

(4)現代有軌電車系統是未來一種理想的交通方式。在工程建設過程中，會經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情況下是更經濟的，因此有必要加強研究，并進而推出相關規范或規程以指導設計。

[1] 巫偉軍.有軌電車系統特點及應用前景研究[J].鐵道標準設計，2007(8):122-125．

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[10] 中交公路規劃設計院.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[11] 中交公路規劃設計院.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.