既有公路橋梁有軌電車改造關鍵技術

胡玉珠 郭建勛 肖 杰

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

現代有軌電車具有節能、環保、便捷、舒適的特點，是一種運量介于輕軌和公交之間輕型軌道交通，其技術特性與輕軌相近，且可與其他交通混行。其符合現代交通工具的要求，受到各旅游城市及大城市新興城區的歡迎，且呈快速增長趨勢。由于城市道路資源有限，在城區有軌電車線路規劃中，不可避免的遇到既有公路或既有橋梁的改造利用，面臨一系列需要解決的問題。

1 既有橋梁改造模式

考慮安全、經濟、適用等原則，對于既有公路橋梁的改造主要有以下幾種模式：

1)拆除新建(方案一)。橋梁上部結構、橋墩、基礎全部拆除，在原橋位重建，有必要時和公路橋梁一同建設。

2)部分改造(方案二)。部分利用既有橋梁結構，又分為兩種模式，一是拆除部分梁部，甚至部分蓋梁和基礎，保留兩側公路行車功能。一種是重建上部結構，保留橋墩及基礎。

3)橋面改造(方案三)。保留上下部主體結構，對有軌電車范圍內橋面進行改造，最大限度的利用既有橋梁結構。

方案一工程質量容易保證，能滿足有軌電車規劃適用年限和河流行洪等技術標準，后期影響交通小。方案二和方案三可以節省投資，但既有結構的耐久性不易保證，新建結構和既有結構的銜接處易成為薄弱環節，設計周期內重建或維修風險增加。

2 既有橋梁的評估

對既有結構利用需要對既有橋梁進行評估，評估的因素包括橋梁結構強度和應力、結構剛度、橋面寬度適用性、線路條件、行洪要求、使用年限及結構耐久性等因素。

公路橋梁和軌道交通橋梁在結構剛度、結構強度和應力方面存在差異，另外輪軌左右模式對線路的線型要求與公路、市政橋梁也有所區別。這就要求在對既有公路橋梁做改造評估時，要兼顧受力和變形兩種因素進行評估。

2.1 線路、橋面、使用年限適用性評估

有軌電車軸距一般在10 m以內，需要滿足35 m的最小曲線半徑和15 m最小緩和曲線長度的要求[6,9]，曲線半徑和超高設置還需匹配車輛行駛速度。雙線整幅有軌電車橋梁考慮車輛凈空和接觸網布置要求，雙線間距一般不小于4 m，線路外側考慮設置不小于0.55 m寬檢修通道和約0.3 m的欄桿占用，總的橋面寬度不小于9 m；與公路混行時，以公路作為檢修通道，最小占用寬度約為7.3 m。有軌電車設計使用年限一般為100年，利用既有橋梁時，考慮后期重建綜合成本，既有橋梁的剩余使用年限建議不小于50年。

2.2 荷載和安全性評估

上海市有軌電車工程設計規范[6]規定：“有軌電車與城市道路合建橋梁結構及構件，可按道路橋梁適用的現行規范體系進行結構設計及抗震設計。”采用標準結構的橋梁可以通過荷載對比判斷其安全性，多車道特殊橋梁則需要根據荷載分布情況具體分析。

2.2.1荷載標準

既有公路/市政橋梁所采用的荷載標準多采用89公路橋規[4]，04公路橋規[3]，98城市荷載[5]，11城市橋規，其中04公路橋規和11城市橋規荷載取值基本一致。89公路橋規采用的是車隊荷載形式，其他規范采用集中力加均布荷載的形式。

有軌電車車輛通常采用單發車輛，最大軸重12.5 t，最大軸距18.5 m。典型的有五模塊6軸有軌電車，或3模塊4軸有軌電車。本文以6軸小軸距有軌電車和公路/市政橋梁荷載進行對比研究，見圖1。

2.2.2不同荷載梁部受力對比

雙線有軌電車橋梁設計寬度和雙車道公路橋梁寬度相近，本文以雙線6軸有軌電車和雙車道公路/市政橋梁荷載做對比分析。結構計算時考慮荷載沖擊系數，04公路橋梁以后沖擊系數與基頻相關，16 m，20 m，30 m梁(計算跨徑15.6 m，19.5 m，29.0 m)基頻分別取5.5 Hz，4.6 Hz，3.6 Hz，有軌電車沖擊系數參照鐵路橋規[1]計算，活載沖擊系數及最大彎矩、最大剪力對比分析見表1～表3。

表1 各規范活載沖擊系數

分別比較16 m，20 m，30 m簡支梁的最大彎矩和最大剪力，以判斷其對橋梁安全的影響。

有軌電車荷載下16 m～32 m梁梁部最大彎矩均小于公路Ⅰ級、公路Ⅱ級、汽超20荷載、98城市荷載，最大剪力小于公路Ⅰ級、汽超20荷載，略大于公路Ⅱ級荷載，基本可以判定，在恒載不增加的情況下，使用公路Ⅰ級、汽超—20，98城市A級荷載計算的常規跨度橋梁具備有軌電車改造條件，而采用公路Ⅱ級、汽—20，98城市B級荷載設計的橋梁則需要檢算。由于有軌電車加載長度較短，超過32 m跨的大跨度橋梁更容易通過承載力評估。

表2 不同荷載作用下簡支梁最大彎矩

表3 不同荷載作用下簡支梁最大剪力

2.3 梁部剛度評估

判斷梁部是否適用的另一個條件是梁部豎向剛度，在未進行梁體車橋耦合檢算時，主要通過以撓度和梁端轉角兩個指標控制結構設計。對于無砟軌道結構，現行規范關于梁部剛度的規定對比如表4所示。

表4 各規范梁部剛度指標對比表

鐵路規范對梁端轉角的要求較為嚴格，地鐵規范和有軌電車規范對活載撓度的規定較為嚴格。有軌電車設計時速一般低于80 kN/h，荷載較輕對于軌道的沖擊效應也相應較小，可以參照地鐵設計規范取值。

2.4 橋墩剛度評估

目前地鐵設計規范[2]和有軌電車設計規范[6]對橋墩縱向剛度的規定均為參照鐵路橋涵設計規范制定，20 m梁限值在145 kN/cm～240 kN/cm范圍，30 m梁限值在260 kN/cm～320 kN/cm范圍。根據鐵路橋涵設計規范的條文解釋，該項指標的制定主要是為了保證無縫線路的穩定性和安全性，使軌道附加應力和梁軌位移不超過限制。鋼軌縱向附加應力主要由橋上列車制動力、溫度力、撓曲力等作用產生的[7]。橋梁下部結構縱向水平剛度大小是影響列車制動力的主要因素，對其他附加應力影響較小，普通鐵路橋梁制動力是鋼軌附加力的重要組成部分。

根據《京滬高速鐵路設計暫行規定》的條文說明[10]，為保證軌道的強度和穩定，鋼軌的附加應力最大拉應力不超過80 MPa,最大壓應力不超過61 MPa,根據鐵路橋梁設計實踐和眾多文獻資料的研究成果來看，在客貨共線、高速鐵路設計時，軌道的制動應力通常在10 MPa～40 MPa范圍，制動位移1 mm～3 mm以內。軌道結構的豎向動彎應力也是軌道應力的重要組成部分，普通鐵路的動彎應力在100 MPa左右。輕型軌道交通軸重較小，對應的動彎應力和制動應力相應較小。結合文獻[8]分析，對客運專線、輕軌荷載、有軌電車制動力進行對比(見表5)。

表5 不同荷載制動力對比

有軌電車以全部制動力均由軌道承受計算，軌道制動附加應力約為8 MPa，遠小于城際鐵路或輕軌交通的制動附加應力，考慮其動彎效應也較小，橋墩水平剛度不再成為影響鋼軌安全的控制性因素。

3 既有橋梁的改造

3.1 梁部改造

新建部分梁部時，需要考慮車輛混行及考慮電纜設備的布置問題，且為適應基礎受力，新建梁部荷載不宜超原設計太多。對于利用既有梁部的橋梁，則對橋面進行部分改造或全幅改造，改造內容主要包括以下內容：

1)軌道結構可選用梁軌一體結構、承軌臺+扣件結構、嵌入式結構三種形式，見圖2～圖4。其優缺點比較見表6。

表6 軌道形式優缺點比選

軌道形式梁軌一體承軌臺+扣件嵌入式與梁體連接方式橋面鉆孔承軌臺預埋鋼筋鋼槽預埋恒載重量輕重輕結構耐久性較好好較好車輛混行不可不可可舒適性一般好好經濟性好一般好受力影響小大小梁體破壞小無無

梁軌一體螺栓植入會對梁體有輕微破壞，螺栓錨固及疲勞荷載差。承軌臺結構重量大，對梁體承載力要求較高。嵌入式軌道除填充物存在耐久更換問題外，對梁體影響最小，行駛性能也較好，具體車輛混行條件，推薦采用。

2)基礎網和電纜槽。為盡可能的利用橋面空間，接觸網基礎和電纜槽一般設置于兩線軌道之間，強弱電分槽布置。

3)伸縮縫。采用扣件式軌道時，軌道結構高于橋面，伸縮縫可以和公路橋面選相同型號。采用嵌入式軌道結構時，軌道結構嵌入橋面以下，采用常規公路伸縮縫需在軌道處打斷，無法滿足防水要求，可采用彈性體伸縮縫加鋼蓋板的方式解決此類問題。

3.2 橋墩及基礎改造

下部結構不滿足剛度或變形要求時，需要對橋墩或支座進行改造或加固處理:

1)對于兩跨簡支橋梁，可將固定支座設置于橋臺處，增大橋梁縱向剛度，減小中墩的制動位移。

2)對于多跨橋梁，固定墩墩頂位移較大時，可以采用設置雙墩固定支座的方式，增加固定橋墩數量，提高結構縱向剛度，減少縱向位移。

3)可以通過設置速度鎖定器的方式，在制動力作用下使多墩聯動，解決剛度問題。

4 結語

1)荷載標準是評判既有橋梁能否通行有軌電車的基礎條件，采用公路Ⅰ級、汽超—20，98城市A級荷載設計的橋梁(尤其是標準梁)，一般具備有軌電車改造的條件。

2)有軌電車橋梁可按墩頂位移控制墩身剛度，可采用更換固定支座位置、多墩聯合制動的方式解決墩頂縱向位移過大的問題。

3)改造橋梁軌道形式建議采用嵌入式軌道，可預留車輛混行條件，同時不增加結構自重。

既有橋梁改造技術在都江堰MTR有軌電車項目中得到應用，取得了較好的效果，可供同類工程參考。