胶轮有轨电车高架桥梁部结构形式研究

滕炳杰

（悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司，江苏苏州 215123）

1 前言

随着国内轨道交通的蓬勃发展，越来越多的轨道交通高架线投入运营。国内城市轨道交通项目中高架结构的出现代表了新型交通运输体系的兴起。2001年，中国第一条高架城市轨道交通线路上海明珠线建成通车，随后北京城市铁路、大连市轨道交通3号线、北京地铁八通线、天津轻轨滨海线、上海轻轨莘闵线等高架线路相继建成通车。目前，在各大城市的轨道交通网中，高架线的比例不小于30%，而在各大城市修建的郊区线中高架线的比例基本维持在50%左右，可以看出，高架结构逐渐成为城市轨道交通的重要组成部分。

随着多项政策的陆续出台，我国城市轨道交通发展政策变得更加清晰，层次更加明确，制式更加多元化，有利于城市轨道交通多制式的健康发展。胶轮有轨电车填补了中国自主化城市轨道交通制式的空白，可广泛用于大中城市主干线和超大型城市交通支线和加密线。胶轮有轨电车是有轨电车的一种类型，采用橡胶车轮，利用走行轮和设于走行轮下方、内侧的导向轮，实现在导轨梁上行进和转向。以高架敷设方式为主，可采用无人驾驶技术。单向小时运量不大于10 000人次，为低运量轨道交通系统，具有编组灵活、能耗低、噪声小、运营维护简便、轻量化、多样化供电制式、独立路权等特点。图1 为胶轮式有轨电车高架区间效果图。

图1 胶轮式有轨电车高架区间效果图

2 工程概况

贵阳市有轨电车T2线一期工程起于长岭北路与林城东路路口，止于二十六大道与白金大道路口北侧，主要沿长岭北路、白金大道、天元路、铝兴路、科创南路及高纳路敷设，线路全长10.92 km，其中高架线10.72 km，地面线0.2 km，在二十六大道与科创北路西北侧设车辆段1座。

一期工程起点站到终点站依次为国际生态会议中心站、金珠东路站、东林寺路站、龙岭路站、白云南路站、天元路站、艳山红三号路站、金塘北街站、云环东路站、黎阳大道站、高纳路站、高海路站、二十六大道站，共计车站13座，最大站间距1.54 km，最小站间距0.52 km，平均站间距0.89 km，均为高架岛式车站。

3 结构体系比选

3.1 常用结构体系简介

目前，城市轨道交通桥梁使用的结构体系主要有简支梁、连续梁及连续刚构。

（1）简支梁。简支梁桥是梁桥中应用最为广泛的一种桥型，即梁的两端搁置在支座上，支座仅约束梁的垂直位移，梁端是可自由转动的单跨结构，如图2所示。简支梁受力明确、构造简单，最易设计为标准跨径的预制装配式结构；并且布跨灵活，施工简单，工序少；在大面积区间范围内采用，由于各跨构造和尺寸统一，实现了标准化、工厂化、机械化施工；利于维修保养，简化施工管理工作，降低施工费用。城市轨道交通是公共交通，一旦中断影响极大，必须快速修通，因此简支梁比连续梁在快速修复方面有明显的优势。

图2 简支梁立面布置图（单位：m）

（2）连续梁。连续梁为2跨或2跨以上连续的梁桥，属于超静定体系，在恒载作用下，由于支点负弯矩的卸载作用，跨中最大正弯矩显著减小，如图3所示。与相同跨度简支梁比，梁部材料用量指标相应较小，经济指标相对改善，但这种体系对收缩、徐变、温度及支座不均匀沉降反应比简支梁要敏感。同时，连续梁构造较简支梁复杂，技术要求高，多采用现浇法施工， 即使采用简支变连续施工方法也需现场施工作业，工期较长，对周围交通环境等影响很大，多适用于墩台基础沉降易于控制、桥梁长度短、工期较长的情况。

图3 连续梁体系立面布置图（单位：m）

（3）连续刚构。连续刚构在连续梁桥中，将墩身与主梁固结成一体，由于墩身与主梁形成刚架，承受上部结构的荷载，一方面主梁受力合理，另一方面墩身在结构上充分发挥了潜能，如图4所示。受力特性如同连续梁，在墩顶处为负弯矩，跨中为正弯矩，设计比较灵活，可用调整梁与墩柱刚度比的方法，降低梁高。结构的上部和下部作为一个整体承受荷载，受力较合理，杆件可设计得较细小，结构重量轻。由于连续刚构体系采用墩梁固结的构造，避免了有支座体系在墩梁间设置支座而产生的结构繁杂感。但也存在对收缩、徐变、不均匀沉降敏感，施工工期长，对周围交通环境等影响大的问题。

图4 连续刚构立面布置图（单位：m）

3.2 结构体系比选

对结构体系进行详细比选，比选内容如表1 所示。连续结构存在以下工程风险：连续梁不均匀沉降超过设计允许值， 若没有及时发现， 将引起结构开裂， 尤其是小跨度连续结构对基础不均匀沉降反应敏感；支座调整的不确定性使其在施工和运营期都需要进行长期观测、调整，工作量大；连续结构基础不均匀沉降控制值也在一定程度上增加基础的工程量。在施工工期、施工难度、施工质量控制、对周围环境影响等重要方面，简支结构有明显优势，因此在高架区间标准段推荐采用简支结构。

表1 结构体系比较表

4 梁型比选

胶轮有轨电车是在传统有轨电车基础上进行技术升级，属于新型有轨电车系统，采用胶轮导向，在梁面上运行。在胶轮有轨电车系统中，轨道梁既是承受车辆载荷的承重结构，又是车辆运行的轨道，其结构形式与传统的钢轮钢轨制式有轨电车系统所采用的区间桥梁结构形式有较大区别。

图5 给出了区间高架限界示意图，由图5可见，由于有轨电车车辆的特殊性，在梁体的腹腔内需满足限界要求，因此梁体需采用U形钢结构或混凝土结构。本次标准梁型比选按30 m简支梁桥型进行比选，在技术指标均能满足规范要求的条件下，比选H型钢U形梁和预应力混凝土U形梁。计算采用空间有限元软件MIDAS/Civil，对上部结构进行静力分析，计算模型如图6、图7所示。

图5 区间高架限界示意图（单位：mm）

图6 H型钢U形梁计算模型

图7 预应力混凝土U形梁计算模型

4.1 H 型钢 U 形梁

4.1.1 结构设计

H型钢U形梁跨径30 m，梁长29.9 m，梁高1.4 m。每线的2片偏心H型钢采用钢横梁连接，钢横梁间距1.0 m，在横梁上铺设花纹钢板作为疏散平台及检修通道使用，其截面构造如图8所示。

图8 H型钢U形梁截面（单位：mm）

4.1.2 导轨梁竖向挠度及梁端错缝高差计算

活载作用下导轨梁跨中竖向挠度及梁端错缝高差如表2所示，根据《胶轮有轨电车交通系统设计规范》（DBJ 52/T092-2019）第10.3刚度要求，导轨梁在静活载作用下，最大竖向挠度不应大于其跨度的1/800；在活载作用下，梁端走行面错缝高差不宜大于2 mm。计算结果表明，梁体竖向最大挠度及梁端错缝高差均满足规范要求。

表2 导轨梁竖向挠度及错缝梁端高差计算 mm

4.1.3 应力计算结果

应力验算采用承载能力极限状态法，在基本组合作用下，梁体的正应力及剪应力如表3所示，表中拉应力为正值，压应力为负值。导轨梁正应力极值为212.9 MPa，剪应力仅为19.2 MPa；横梁正应力极值为177.6 MPa，剪应力仅为12.5 MPa。由此可见，梁体应力指标均满足规范要求，且剪应力富裕较大。

表3 导轨梁应力计算结果 MPa

4.2 预应力混凝土U形梁

4.2.1 结构设计

预应力混凝土U形梁跨径30 m，梁长29.9 m， U形等截面，梁高为1.4 m，腹板厚0.25 m，底板厚0.25 m，采用C50混凝土。由于预应力混凝土U形梁底板连通，故无需另外设置疏散平台及检修通道。截面构造如图9所示。

图9 预应力混凝土U形梁截面图（单位：mm）

4.2.2 计算结果

现选取跨中及支点为控制截面，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）进行验算，导轨梁在承载能力极限状态及正常使用极限状态下的关键指标验算结果如表4所示。表4计算结果表明，混凝土导轨梁的强度及应力均满足规范要求。

表4 导轨梁应力验算结果

4.3 方案比选

根据上述计算结果，H型钢U形梁和预应力混凝土U形梁方案各项指标均满足设计规范要求，预应力混凝土U形梁刚度较大，2个方案技术经济指标对比见表5。

表5 技术经济指标对比表

5 结论

从结构稳定性、刚度、防火防滑等方面考虑，预应力混凝土梁性能优良，但由于其制作精度要求高、控制工艺复杂，需设置预制梁场且需做专门的工法设计，制造过程繁琐，吊装重量大，施工速度慢；钢梁工厂制作精度较易控制、自重轻、易吊装，同时考虑到道路交通繁忙，H型钢梁吊装速度快，吊车吨位小，对现状交通干扰更小，更适用于装配式结构。因此，正线及出入段线推荐H型钢U形梁作为标准段梁体形式。由于在车辆基地内导轨梁已经落地，且车辆基地内对轨道梁制作精度要求较低，景观效果要求不高，因此，车辆基地推荐采用预应力混凝土U形梁。