跨座式單軌PC軌道梁淺析

夏代軍

(中鐵二十三局六公司， 重慶 401121)

1 跨座式軌道交通

單軌交通歷史悠久，至今已有一個多世紀的發(fā)展歷程，技術應用逐漸成熟，日本、美國、澳大利亞、英國、新加坡、巴西等國家都修建了自己的跨座式單軌鐵路。日本是跨座式交通應用較多的國家，至今已有十多條單軌交通線路投入使用，重慶輕軌早期就是引入和借鑒日本的單軌技術，現已完全實現國產化。隨著地鐵的發(fā)展和廣泛應用，跨座式單軌交通逐漸成為城市軌道交通發(fā)展的備選方案，但近年來世界上環(huán)保意識抬頭和中大型城市城市交通發(fā)展進入一個瓶頸。而跨座式單軌交通隨著技術的進步和發(fā)展，其具有的低噪音、零污染和對復雜環(huán)境的高適應性成為現今中小型城市軌道交通首選方案或者中大型城市對現有城市軌道交通的首選擴充方案之一。

跨座式單軌特點是適應性強、噪音低、轉彎半徑小、爬坡能力非常強(最高達6 %)。類似于“空中小火車”，速度可以達到80 km/h。大型跨座式單軌列車理論上也是屬于地鐵的一種制式。跨座式單軌屬于中等運量軌道交通系統(tǒng)，投資少、建設周期短，智能環(huán)保(可以實現無人駕駛)、適用性強、占地面積小，相對于地鐵來說，跨座式單軌建設周期僅為地鐵的一半，造價成本僅為地鐵的1/3。

跨座式軌道工程具有占用空間小。不單是所占的地面面積小，垂直空間亦較小。跨座式單軌線路所需的寬度主要由車輛的寬度決定，與軌距無關。且跨座式單軌多數以高架興建，地面上只需很小的空間建造承托路軌的橋墩。相比其他高架鐵路，單軌所占的空間較小，亦不大影響視線，能有效利用道路中央隔離帶，適于建筑物密度大的狹窄街區(qū)。而爬坡能力強，轉彎半徑小和高空地下都能穿梭的特點，使其能在各種復雜多變的城市環(huán)境中穿行自如，可見跨座式軌道交通的高適應性。

跨座式單軌工程具有投入成本低(相對于地鐵)，對城市復雜環(huán)境的高兼容性和低噪音、零污染，且建設和營運中對周邊環(huán)境影響小等特點。運輸能力相對于地鐵弱(單軌每1 h單向客運量達3×104～4×104人 )，但從重慶輕軌營運情況來看可以基本滿足城市人流高峰期(上下班時間)的使用。因而作為大型城市和超大型城市地鐵主線的輔助線和延伸線再合適不過，而對二線城市完全可以取代地鐵作為城市主力的軌道交通。跨座式單軌使用橡膠輪胎在混凝土或者在鋼軌上行走，采用電力驅動，因而其噪音小無污染，且運行方式使其可以在基本不影響居民生活的情況下穿行于居民住宅區(qū)或者直接從大樓中部穿行而過(重慶輕軌就有穿樓而過的區(qū)段，運行情況良好，基本不影響居民的生活)。目前國內有三種輕軌形式正在營運、修建及推廣，其中重慶輕軌最為成熟且已有多條線路正在營運，成為重慶城市軌道交通的一個特色組成部分，并兼具觀光線的功能；第二種為新引入的龐巴迪的300型輕軌，正在國內規(guī)劃建設中，在巴西圣保羅已經建成一條營運線并已開始營運；第三種為比亞迪正在推廣的自助研發(fā)的運軌。

跨座式軌道交通之所以被地鐵取代主要的缺點也是較為明顯：

(1)車輛由于采用橡膠輪胎走行，其和軌道梁之間的摩擦系數較大，因而能量消耗較大。且爬坡時對梁面和軌道磨損均較大。

(2)由于跨座式軌道交通多國都在發(fā)展，其車輛和軌道梁的變化太過繁雜，沒有統(tǒng)一的標準，不便于發(fā)展。

(3)如果出現緊急情況，單軌鐵路上的乘客沒有逃生的地方。車的兩旁沒有可站立的路軌，而且離地面很高。頭尾兩端的路軌亦很窄。有些單軌鐵路因此在路軌的兩旁建有可供人行的緊急通道。

(4)單軌的速度及載客量通常及不上其他系統(tǒng)。不過，大型跨座式單軌通過加編組、縮短發(fā)車間隔等方式，客流量可以與地鐵不相上下。

2 PC梁現況介紹

PC軌道梁作為跨座式軌道交通的兩個重要組成部分(車輛和PC軌道梁)之一，隨著跨座式軌道交通的蓬勃發(fā)展，也迎來了技術上的變革性的突破。目前輕軌車輛其靈活性和對復雜環(huán)境的適應性都大大領先于PC軌道梁的發(fā)展。如何突破跨座式輕軌的桎梏，引入新工藝發(fā)展跨座式輕軌PC梁是目前的重中之重。

PC軌道梁作為跨座式軌道交通重要組成部分之一，其功能具有高集合性，既是高架的承重梁，也是車輛行走面。鋪架完成后車輛即可在上面行走，電力信號、防雷接地等設施設備均依托在梁體上面。因而其也是跨座式軌道交通技術的重難點之一。

2.1 PC梁的特點

(1)梁體上部結構采用三維一體的結構，不管梁體線性結構，豎曲線結構怎么變，梁體頂面和梁體兩邊側面(車輛跨坐區(qū)域內)在橫切面始終不變，也就是說梁面和側面(車輛跨坐區(qū)域內)始終成90 °垂直。

(2)梁體線性與普通混凝土梁不同，是通過柔性側模板來達成梁體線性控制，國內現有技術對梁體線性控制最小半徑為75 m，而車輛最小轉彎卻可以達到更小，龐巴迪從車輛技術文件來看其轉彎半徑可達到45 m。

(3)由于梁面既是行走面，跨座式軌道交通線路行駛的豎曲線的微調即反應到梁面上，采用梁底結構不變，梁面豎曲線通過模型限位板進行調節(jié)，梁面作業(yè)施工時根據限位板把豎曲線直接反應到梁面上。

2.2 PC梁目前發(fā)展方向

2.2.1 小型化PC軌道梁和大型化PC軌道梁

(1)大型化PC軌道梁的好處在于更高的運載能力，主要是針對輕軌載客能力弱于地鐵而進行優(yōu)化。由于輕軌在城市間的適應能力，相對于地鐵，其優(yōu)勢還是非常明顯的，在客運量較大且城市復雜程度不是十分突出的城市，或則作為一二線城市在地鐵的輔助外擴線路時，其增加載客能力是必要的。

(2)小型化PC軌道梁的好處在于更強的城市適應能力，在地勢復雜多變的老城區(qū)也能穿行自如，是非常好的交通補充，作為地鐵無法延伸到的區(qū)域進行補充，也可以作為保護區(qū)和景區(qū)內最小破壞環(huán)境的交通工具。

2.2.2 更大的跨度

跨度一直都跨座式軌道交通應付復雜環(huán)境中一個技術難題，在跨公路或則特殊地段時，雖然可以使用梁疊梁(下部為承重梁，上部為單軌梁)或則框架輔助結構等特殊方式達成，但對于復雜多變的區(qū)域，其能力就捉襟見肘了。加大跨度或則能在非特殊地段使用大跨度梁體，可以減少很多設計和使用問題。現階段有兩種加大跨度的方案。

(1)采用連續(xù)鋼構梁，將梁體跨度直接提升至35 m以上。而且當跨度加大后可以減少相當數量的墩柱，達到減少成本的作用。

(2)采用T型墩的方式加大墩臺到墩臺之間的跨度，這樣可以在不改變現在有梁型跨度的情況下加大單軌的跨度問題，這方案目前正在重慶輕軌中使用。是一個非常成熟而且實用的方案。

重慶輕軌早期也采用過現澆梁的方式來解決大跨度問題，但由于梁面平整度遠不及預制梁且由于梁體剛度過大，車輛在其上行駛時舒適度非常不理想，因而在之后的施工中不再使用。在梁體發(fā)展中，采用過加高加寬梁體從而提高活載的方法，在韓國輕軌中得到了驗證，韓國輕軌從重慶輕軌引進的技術，而為了加大跨度以適用當地的需要通過加高和加寬PC軌道梁的方式將單品梁跨度從最大24 m加大到28 m，但28 m的跨度依舊不能滿足現在城市復雜環(huán)境的要求。隨著簡支轉連續(xù)鋼構梁的施工方案的引入，PC軌道梁的跨度也突破了30 m，基本已能滿足大多城市復雜環(huán)境的需要。

現目前PC軌道梁發(fā)展主要方向為梁體更小，跨度更大，梁體曲線半徑更小和更高的爬坡能力。從而提高對高復雜環(huán)境適用性。現階段主要通過發(fā)展簡支轉連續(xù)鋼構梁的施工方案來達成，此方案還解決了超小半徑梁因剪力過大而只能為小跨度梁的問題，但其與橋墩鋼構成為整體連續(xù)梁后，也對施工和后期維護等帶來了新的問題和新的挑戰(zhàn)，這個在后面龐巴迪300型中討論。

3 國內主要兩種跨座式輕軌

3.1 龐巴迪300型

龐巴迪的300型作為單軌交通中比較先進的一種新方案，其具有更快的車速，更輕的車身，更大爬坡能力，更大轉彎能力，對梁外形更少的依賴性。其梁寬僅為690 mm，端部梁高為2 050 mm，梁中部為1 600 mm，單榀梁長可以達到35 m以上，梁型采用矩形結構，全部采用簡支轉連續(xù)鋼構梁。梁體鋪架后采用梁托進行臨時支撐，待到連續(xù)鋼構后與橋墩連成一個整體，再進行二次張拉以消除連續(xù)后梁端的剪力。轉連續(xù)鋼構梁后梁體兩端采用柔性橋墩的方案來解決梁體伸縮問題(圖1)。

圖1 龐巴迪300型

3.2 重慶輕軌

重慶輕軌作為中國國內最為成熟的輕軌，最開始是引入的日本技術，現已完全國產化了，其梁寬為850 mm，在特殊地段采用鋼梁替換混凝土梁的方案進行施工。通過重慶輕軌鋪設情況來看，高復雜地形，且地面地下均可穿行的特點，對復雜地形的高適應性一覽無遺。而且在多山和喀什特地貌環(huán)境其造價僅為地鐵造價的1/3，也表現了超高的經濟特性，且運營能力在加大班車的情況也能較好的滿足人流高峰期的要求。但PC梁目前最需要解決的問題是跨度，以重慶輕軌為例，梁體最大僅為24 m，因而對大于該跨度采用了鋼梁和T型墩(改變上部結構)方式滿足現有方式，但其適應力有限且不能作為常規(guī)大跨度施工方案。

目前重慶輕軌最新設計方案為簡支為主，T型墩加大跨度和簡支轉連續(xù)鋼構梁為輔的新方案，簡支梁不變采用鑄鋼支座，簡支轉連續(xù)鋼構梁則是換成了摩擦支座。梁寬為850 mm，梁高簡支為1.5 m，連續(xù)中段為1.5 m， 25 m和29 m垮PC軌道標準梁型兩端為2.5 m高,29 m標準梁型為2.5 m。簡支梁為工字型結構，簡支轉連續(xù)鋼構梁為拱形梁結構(圖2)。

圖2 重慶輕軌

3.3 兩種梁型的比較

龐巴迪輕軌相對于重慶輕軌來說，其梁體寬度為690 mm相對于重慶輕軌的850 mm小了不少，梁高在不考慮連續(xù)鋼構梁兩端加高部分的話相差不大，重慶輕軌梁型類似工字形，而龐巴迪輕軌梁型為矩形。

雖然龐巴迪輕軌梁體體型要小于重慶輕軌，但其重量在同跨度梁體中其實相當，其原因為其為了保證大跨度梁體剛度滿足使用要求，加大了鋼筋的使用型號，并加大了梁體張拉鋼絞線的數量。

梁體曲線半徑龐巴迪由于采用了簡支轉連續(xù)鋼構梁的方案，因而梁體最小曲線半徑上有了很大突破，重慶輕軌PC梁最小曲線半徑只有75 m，而龐巴迪最小曲線半徑理論上則可以達到45 m。

而兩種梁型一種為簡支梁(重慶輕軌)而另一種為簡支轉連續(xù)鋼構梁(龐巴迪300型)，因而施工上，也有很大不同，簡支梁施工基本梁體作業(yè)均在預制場內完成，但簡支轉連續(xù)鋼構則部分工作，濕接縫和二次張拉均在梁體鋪架過程中完成。

3.4 連續(xù)鋼構梁和簡支梁對比

連續(xù)梁優(yōu)點主要有更大的跨度，更小的曲線半徑，而且由于是連續(xù)梁，減少了梁縫處接縫板的使用，從而提升車輛行駛的舒適性。但其施工難度要明顯高于簡支梁，對鋪架調試的精度要求更高，對施工的容錯度非常低。而且后期維護更困難(圖3、圖4)。

圖3 連續(xù)梁

圖4 簡支梁

龐巴迪輕軌和重慶輕軌新PC梁施工方案相比較，龐巴迪輕軌的方案吸收了重慶輕軌的優(yōu)勢并保留了自身載客量更高的優(yōu)勢，但其多梁型施工方案也增加了設計難度，并對預制場增加了施工難度(簡支轉連續(xù)鋼構梁)和成本(連續(xù)梁需不同的模板)，而且整體對梁體架設后可能相對于全簡支梁或則全連續(xù)鋼構梁來說不夠美觀。

3.5 目前輕軌新技術發(fā)展遇到的問題

3.5.1 鋪架問題

簡支梁鋪架后可以作為運梁的載體，在部分汽車吊不方便架設的地方可以用架橋機通過已鋪架好的軌道梁運送架設，但連續(xù)鋼構梁在未完成二次張拉前是否可以使用架橋機進行鋪架，這樣的鋪架方式是否對梁體結構有影響。如果不能使用架橋機進行鋪架的話，則需要在路面使用特殊的專用架橋機。

3.5.2 剛度提升的優(yōu)勢和劣勢

由于市政工程中特別是復雜地形地區(qū)經常出現不可預計問題，造成部分區(qū)域預制梁需要較長時間存放于預制場，這種剛度較大的連續(xù)梁，在未完成二次張拉前較長時間存放會影響梁體徐變。而每榀PC軌道梁具有不可替換性的特點，因而施工進度和現場橋墩進度配合將是一個很大挑戰(zhàn)。

3.5.3 連續(xù)梁相對于簡支梁存在的問題

(1)維修不易，單軌梁以重慶輕軌為例，為簡支梁，其后期在極端情況下可以通過更換梁體進行維護，但連續(xù)鋼構梁這是不可能的，但混凝土特別是坡地大的區(qū)域對梁面磨損是巨大的，因而后期如何維護是個問題。

(2)調試困難，通過重慶輕軌情況來看，簡支梁在前期鋪架不是沒問題，而是非常容易出現問題，且由于設計復雜，設計的錯誤也常有出現，但連續(xù)梁的容錯性非常低，如果出現問題如何去修改或者彌補將是新技術的難題。

3.6 目前輕軌梁的通病

輕軌的爬坡能力非常強，但當PC軌道梁豎曲線過大，對車體輪胎和梁體行走面其實是一個考驗，以重慶輕軌為例，即使梁體混凝土采用的C60高強度混凝土，但當在大豎曲線爬坡地段，其梁體表面會因梁面(毛面)和車輛橡膠輪胎摩擦過大而造成梁面行走區(qū)被磨成鏡面，而造成營運安全隱患(車體打滑)。

梁體因運輸過程中造成梁體出現暗傷，在營運一段時間后會在暗傷處出現破碎，可能影響營運安全。

4 對未來單軌的思考

城市軌道交通是城市交通發(fā)展的方向，而跨座式輕軌本身嚴格來說也是地鐵的一種，個人覺得未來發(fā)展的方向應該是地鐵和輕軌混合使用，甚至是跨座式輕軌和地鐵技術的整合。目前上海地鐵已出現了橡膠輪胎的地鐵，而龐巴迪的新設計也有將跨座式向騎坐式發(fā)展的趨勢。