悬挂式单轨交通与市政桥结合方案研究

张超

（中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308）

1 概述

进入21世纪以来，人们对交通出行的要求越来越高。悬挂式单轨以其建设迅速，周期较短，投资低，方便出行等优点，在景区通行和机场接驳等特殊条件下的适用性较好。但由于国内应用较少，发展较缓，其跨度还维持在25m左右，对于大跨的路口或河道很少应用，因此其大跨度桥梁的问题一直没有完整系统的解决方案。

本研究将系统的对悬挂式单轨与市政桥结合修建的方案进行研究。由于单独为了承托悬挂式单轨修建桥梁投资巨大，而功能却很单一，因此采用在简支梁桥墩柱中间设置悬挂式单轨的钢支柱，将支柱基础连接到桥面上，同时桥面两侧用于公路桥运行。这种利用简支梁桥承托悬挂式单轨的方案，既有效的搭载了悬挂式单轨，解决了悬挂式单轨跨度制约的问题，同时又可以兼做市政的公路桥，实现了一桥多用，提高了经济性，对于其普及和发展有十分重要的意义。

图1 简支梁结合市政桥承托方案断面图

2 模型计算

为了对简支梁桥和市政桥结合单轨的方案进行分析，选择了一个实际工程的简支梁桥建立模型，并将悬挂式单轨墩柱的荷载以集中荷载的形式作用其上，模拟悬挂式单轨对市政桥的影响，从而对专用简支梁和市政桥结合简支梁两个方案的经济性进行评价。

2.1 模型概况及截面尺寸

本模型为跨径40m的简支梁桥，公路等级为二级公路，公路荷载等级为公路-Ⅱ级，桥面布置2条车道，宽度12m，由4片等截面箱梁组成，梁间距2.9m。4片主梁之间采用刚性横梁法连接。

箱梁梁高2m，支座处底板厚度360mm，腹板厚度320mm；跨中底板厚度180mm，腹板厚度200mm。

2.2 材料及布置

混凝土：采用C50混凝土；桥面铺装采用沥青混凝土，容重24.0kN/m3。

预应力筋：采用fpk=1860MPa、公称直径d=15.2mm的低松弛高强度钢绞线。采用等效荷载法进行模拟，利用midascivil中预应力钢束布置功能实现。梁内钢束均采用两端同时张拉，锚端控制应力为1395MPa。预应力规格为N1～N5采用4As15.2，N6采用5As15.2。

2.3 荷载统计

（1）结构自重：主梁所用预应力混凝土为C50，容重26kN/m3，结构自重由结构体积可以计算得到。

（2）二期恒载：桥面有80mm厚C50混凝土现浇层及100mm厚沥青混凝土桥面铺装。由材料容重换算得12.8kN/m线荷载分别加载在4片主梁上。

（3）车道荷载：根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）4.3.1条规定车道荷载的计算图式施加。

（4）悬挂式单轨墩柱荷载：此墩柱荷载采用等效荷载的方法进行加载，采用成都某空铁项目双线桥墩双线加载时的墩底反力。单个墩柱的等效荷载为：

Fx=114kN；Fy=195.7kN；Fz=1227.8kN；Mx=1252.8kN·m；My=-729.6kN·m；Mz=122.6kN·m；

采用两种加载方式：①将一组墩柱荷载加载在1/2跨截面顶板中心节点上；②将两组墩柱荷载分别加载在距简支梁两端支座7.5m处，其中一组荷载只考虑墩柱恒载的等效荷载。

2.4 荷载组合

（1）恒载组合：自重+预应力荷载+二期恒载；

（2）恒载+活载组合：组合1+公路活载；

（3）单墩荷载：单墩荷载；

（4）双墩荷载：双墩荷载；

（5）恒载+活载+单墩荷载组合：组合2+跨中单墩荷载；

（6）恒载+活载+双墩荷载组合：组合2+跨中双墩荷载；

2.5 计算结果

2.5.1 内力结果

内力结果为组合（1）作用下，剪力和弯矩分别为1035kN和3003.6kN·m；组合（5）作用下分别为 1245.9kN 和 6221.0kN·m；组合（6）作用下分别为1451.7kN和5318.6kN·m。

由计算结果可以看到在增加了墩柱荷载后，简支梁的内力较恒载+活载的工况由明显增大。其中恒+活+单墩荷载时跨中弯矩增大107.2%，恒+活+双墩荷载时跨中弯矩增大77.1%。

2.5.2 应力结果

通过计算可以得到，施加墩柱的等效荷载后，简支梁在跨中部分产生了较大的拉应力。其中，施加跨中单墩荷载时，1/2跨截面产生了5.92MPa的拉应力，施加跨中双墩荷载时，1/2跨截面产生了4.22MPa的拉应力，均超过了C50混凝土的抗拉强度标准值2.65MPa。可通过加强预应力筋的方法补强。

2.5.3 位移结果

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）6.5.3条规定，考虑C50混凝土长期挠度增长系数1.425并消除结构自重产生的长期挠度后主梁的最大挠度不超过计算跨径的1/600。由计算结果可知，施加墩柱的等效荷载后，简支梁在跨中部分产生了较大的挠度。其中，施加跨中单墩荷载时，1/2跨截面产生了66.2mm的挠度，非常接近容许值，施加跨中双墩荷载时，1/2截面产生了67.7mm的挠度，超过了容许值。

2.6 改良措施

2.6.1 截面调整

主梁挠度超过容许值表明主梁刚度不足。应力超过容许值可用加强预应力筋的方式解决。将主梁高度增加至2.2m并调整相应预应力布置。调整后的预应力规格为N1～N5采用4As15.2，N6和N7采用5As15.2。

2.6.2 调整后的应力与位移

调整后的主梁应力计算结果可知，由计算结果可以看到截面正应力和主拉应力均未超过规范容许值。

挠度计算结果为施加跨中单墩荷载时，1/2跨截面产生了49.6mm的挠度，满足要求；施加跨中双墩荷载时，1/2截面产生了50.7mm的挠度，也同样满足。

2.6.3 材料数量变化

可以看到更改梁高和预应力布置后应力和挠度均符合规范要求。但由于截面高度的改变，造成了混凝土和预应力筋用量的增加。用料情况如表1。

表1 更改截面后材料数量变化

3 结论

通过分析可以得出，常规市政桥在桥面上直接安装悬挂式单轨时，对其有较大的影响，应力和位移都超过了限值，因此需要增加预应力钢筋和截面尺寸。

经过计算后可以发现，截面需增加5.7%，预应力筋增加20%就可以完全满足悬挂式单轨的要求。因此对于市政桥来说，只需稍加改造，即可满足一桥两用的要求，充分的发挥了市政桥的功效。

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