膠輪有軌電車高架橋梁部結構形式研究

滕炳杰

（悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇蘇州 215123）

1 前言

隨著國內軌道交通的蓬勃發展，越來越多的軌道交通高架線投入運營。國內城市軌道交通項目中高架結構的出現代表了新型交通運輸體系的興起。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中，高架線的比例不小于30%，而在各大城市修建的郊區線中高架線的比例基本維持在50%左右，可以看出，高架結構逐漸成為城市軌道交通的重要組成部分。

隨著多項政策的陸續出臺，我國城市軌道交通發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展。膠輪有軌電車填補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，利用走行輪和設于走行輪下方、內側的導向輪，實現在導軌梁上行進和轉向。以高架敷設方式為主，可采用無人駕駛技術。單向小時運量不大于10 000人次，為低運量軌道交通系統，具有編組靈活、能耗低、噪聲小、運營維護簡便、輕量化、多樣化供電制式、獨立路權等特點。圖1 為膠輪式有軌電車高架區間效果圖。

圖1 膠輪式有軌電車高架區間效果圖

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，主要沿長嶺北路、白金大道、天元路、鋁興路、科創南路及高納路敷設，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北路西北側設車輛段1座。

一期工程起點站到終點站依次為國際生態會議中心站、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 結構體系比選

3.1 常用結構體系簡介

目前，城市軌道交通橋梁使用的結構體系主要有簡支梁、連續梁及連續剛構。

（1）簡支梁。簡支梁橋是梁橋中應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，梁端是可自由轉動的單跨結構，如圖2所示。簡支梁受力明確、構造簡單，最易設計為標準跨徑的預制裝配式結構；并且布跨靈活，施工簡單，工序少；在大面積區間范圍內采用，由于各跨構造和尺寸統一，實現了標準化、工廠化、機械化施工；利于維修保養，簡化施工管理工作，降低施工費用。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，因此簡支梁比連續梁在快速修復方面有明顯的優勢。

圖2 簡支梁立面布置圖（單位：m）

（2）連續梁。連續梁為2跨或2跨以上連續的梁橋，屬于超靜定體系，在恒載作用下，由于支點負彎矩的卸載作用，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，梁部材料用量指標相應較小，經濟指標相對改善，但這種體系對收縮、徐變、溫度及支座不均勻沉降反應比簡支梁要敏感。同時，連續梁構造較簡支梁復雜，技術要求高，多采用現澆法施工， 即使采用簡支變連續施工方法也需現場施工作業，工期較長，對周圍交通環境等影響很大，多適用于墩臺基礎沉降易于控制、橋梁長度短、工期較長的情況。

圖3 連續梁體系立面布置圖（單位：m）

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

圖4 連續剛構立面布置圖（單位：m）

3.2 結構體系比選

對結構體系進行詳細比選，比選內容如表1 所示。連續結構存在以下工程風險：連續梁不均勻沉降超過設計允許值， 若沒有及時發現， 將引起結構開裂， 尤其是小跨度連續結構對基礎不均勻沉降反應敏感；支座調整的不確定性使其在施工和運營期都需要進行長期觀測、調整，工作量大；連續結構基礎不均勻沉降控制值也在一定程度上增加基礎的工程量。在施工工期、施工難度、施工質量控制、對周圍環境影響等重要方面，簡支結構有明顯優勢，因此在高架區間標準段推薦采用簡支結構。

表1 結構體系比較表

4 梁型比選

膠輪有軌電車是在傳統有軌電車基礎上進行技術升級，屬于新型有軌電車系統，采用膠輪導向，在梁面上運行。在膠輪有軌電車系統中，軌道梁既是承受車輛載荷的承重結構，又是車輛運行的軌道，其結構形式與傳統的鋼輪鋼軌制式有軌電車系統所采用的區間橋梁結構形式有較大區別。

圖5 給出了區間高架限界示意圖，由圖5可見，由于有軌電車車輛的特殊性，在梁體的腹腔內需滿足限界要求，因此梁體需采用U形鋼結構或混凝土結構。本次標準梁型比選按30 m簡支梁橋型進行比選，在技術指標均能滿足規范要求的條件下，比選H型鋼U形梁和預應力混凝土U形梁。計算采用空間有限元軟件MIDAS/Civil，對上部結構進行靜力分析，計算模型如圖6、圖7所示。

圖5 區間高架限界示意圖（單位：mm）

圖6 H型鋼U形梁計算模型

圖7 預應力混凝土U形梁計算模型

4.1 H 型鋼 U 形梁

4.1.1 結構設計

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，在橫梁上鋪設花紋鋼板作為疏散平臺及檢修通道使用，其截面構造如圖8所示。

圖8 H型鋼U形梁截面（單位：mm）

4.1.2 導軌梁豎向撓度及梁端錯縫高差計算

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

表2 導軌梁豎向撓度及錯縫梁端高差計算 mm

4.1.3 應力計算結果

應力驗算采用承載能力極限狀態法，在基本組合作用下，梁體的正應力及剪應力如表3所示，表中拉應力為正值，壓應力為負值。導軌梁正應力極值為212.9 MPa，剪應力僅為19.2 MPa；橫梁正應力極值為177.6 MPa，剪應力僅為12.5 MPa。由此可見，梁體應力指標均滿足規范要求，且剪應力富裕較大。

表3 導軌梁應力計算結果 MPa

4.2 預應力混凝土U形梁

4.2.1 結構設計

預應力混凝土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。由于預應力混凝土U形梁底板連通，故無需另外設置疏散平臺及檢修通道。截面構造如圖9所示。

圖9 預應力混凝土U形梁截面圖（單位：mm）

4.2.2 計算結果

現選取跨中及支點為控制截面，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）進行驗算，導軌梁在承載能力極限狀態及正常使用極限狀態下的關鍵指標驗算結果如表4所示。表4計算結果表明，混凝土導軌梁的強度及應力均滿足規范要求。

表4 導軌梁應力驗算結果

4.3 方案比選

根據上述計算結果，H型鋼U形梁和預應力混凝土U形梁方案各項指標均滿足設計規范要求，預應力混凝土U形梁剛度較大，2個方案技術經濟指標對比見表5。

表5 技術經濟指標對比表

5 結論

從結構穩定性、剛度、防火防滑等方面考慮，預應力混凝土梁性能優良，但由于其制作精度要求高、控制工藝復雜，需設置預制梁場且需做專門的工法設計，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，對現狀交通干擾更小，更適用于裝配式結構。因此，正線及出入段線推薦H型鋼U形梁作為標準段梁體形式。由于在車輛基地內導軌梁已經落地，且車輛基地內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應力混凝土U形梁。