云巴膠輪有軌電車橋梁結構梁體線形調整方案研究

延力強

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

云巴膠輪有軌電車(以下簡稱“云巴”)是一種隨著新技術的發展涌現出來的新型軌道交通方式，以高架敷設為主，是基于傳統膠輪導軌系統進行小型化研發而產生的具有獨立路權的新型小運量軌道交通系統[1]。車輛采用橡膠輪胎實現行駛和導向，主要用于短距離公共交通，設計最高速度為60～80 km/h，列車最大長度為75 m[2]。

云巴建設成本低，造價低于2億元/km，是地鐵造價的1/4～1/3，此外，云巴還具有建造周期短的優勢，可廣泛應用于大中城市主要交通線路、超大型城市交通加密線，為居民提供智能、舒適、便捷的出行體驗，有助于解決城市交通擁擠的難題，提升了城市交通出行效率[3]，云巴項目效果展示見圖1。

圖1 云巴項目效果展示

云巴項目主要采用連續鋼軌道梁，由于橋面即軌道面，鋼梁的加工制造水平、現場鋼梁架設方案，都會成橋后的軌道梁線形產生影響[4]。目前，國內的深圳坪山云巴、重慶璧山云巴、西安云巴、天津西青云巴等項目均采用調整墊石厚度、增加支座墊片等措施對梁體線形進行初調，但仍然存在梁體豎向線形與設計值偏差較大等問題。

在鐵路、公路等交通領域，對于橋梁梁體線形控制，除了設置預拱度外，都有成熟的二次調整梁體線形的措施。鐵路橋梁主要是通過調整道砟或者軌道板的厚度來實現軌面高程控制[5]；公路橋主要采用的方法有：直接加鋪法、疊合梁法、整體頂升法、加鋪與整體頂升結合法等[6]；跨座式單軌軌道梁則主要采用增減調整墊片、調整楔形塊的位置、吊車橫縱向移動梁片的方法[7]。

依托某云巴膠輪有軌電車項目，結合類似于公路橋梁的加鋪法、疊合梁法對軌道梁二次線形調整方案進行了深入研究，提出了在鋼軌道梁頂面增設防腐防滑鋪裝、花紋鋼板、可調鋼矮梁、可調鋼筋混凝土矮梁等4種方案，并分析各方案的可行性，為今后類似結構形式軌道梁橋設計提供參考。

2 原結構方案

本項目橋梁及軌道二合一，車輛采用內嵌式走行模式，走行輪位于導軌梁兩側窄箱梁頂面，導向輪位于箱梁內側，箱梁頂板向內側伸出130 mm，可阻擋導向輪，防止列車傾覆。在橫向上敷設鋼網片作為疏散平臺。走行輪、導向輪與軌道梁相對關系見圖2。

圖2 轉向架與軌道梁相對關系

本項目采用以3×30 m為基本跨的連續鋼軌道梁，跨越路口地段主要采用跨度為40 m、44 m的連續鋼梁。以(20+44+20)m連續鋼梁為例，單線主梁橫向寬1.7 m，梁高1.6 m，窄鋼箱結構內側凈間距為1.2 m，鋼箱間采用“橫向聯系+斜撐”連接。鋼梁頂板厚22 mm、底板厚22 mm、腹板厚18 mm，鋼材材質為Q355qC，鋼梁橫斷面見圖3。

圖3 連續軌道鋼梁橫斷面(單位：mm)

3 方案研究

原軌道梁走行面采用的是刻花紋防滑方案，花紋圓弧間距為10 mm，花紋圓弧直徑為300～500 mm，溝槽深度為0.7～1.2 mm，橋面花紋方案見圖4。

圖4 橋面花紋云等

3.1 走行面增設防腐防滑鋪裝

防腐防滑鋪裝采用的是薄層環氧橋面鋪裝材料，其厚度僅為5～15 mm，由環氧膠黏劑和單一粒徑耐磨集料組合而成，與傳統的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝材料相比，環氧黏結劑黏結強度高，耐熱性好[8]，在虎門二橋、南京鐵心橋等公路橋梁項目上已有一些應用(見圖5、圖6)。

圖5 環氧材料輔裝情況

圖6 環氧材料應用情況

相關試驗證明，在10 mm厚的鋼橋面鋪裝7 mm厚環氧鋪裝層，可以達到100萬次的設計使用壽命，并具有很高的安全系數[9]。

3.2 走行面增設花紋鋼板方案

對“5 mm花紋鋼板+高性能砂漿灌注”方案進行調整，花紋鋼板與鋼梁頂板間采用可調高雙螺母連接，并進行高程的控制。螺栓沿順橋向間距為0.5 m，調整到位后，從外側插入U形墊片，墊片的厚度分為0.5，1.0，2.0，3.0 mm等幾種類型，之后采用高性能砂漿將花紋鋼板與頂板間的空隙灌注密實，方案見圖7。

圖7 花紋鋼板方案(單位：mm)

3.3 增設可調鋼矮梁方案

本方案中，將原鋼梁窄箱高度降低0.32 m，在鋼梁頂部增加0.32 m高可調高鋼矮梁，重新提供走行面和導向面。具體施工步驟如下。

新增“20 mm花紋鋼板+14 mm導向鋼板”方案，在工廠內加工并焊接螺栓桿，沿線路方向300 mm間距增設矩形支撐鋼架，調平走行面及導向面鋼板，焊接矩形支撐鋼架與原走行面，再精調走行面鋼板，方案見圖8。

圖8 增設可調鋼矮梁方案(單位：mm)

3.4 增設可調鋼筋混凝土矮梁方案

本方案中，將原鋼梁窄箱高度降低0.32 m，在鋼梁頂部增加鋼筋混凝土矮梁，形成鋼混結合梁。在混凝土面上設20 mm花紋鋼板，重新提供走行面和導向面。在花紋鋼板上焊接M20螺栓，螺紋栓釘采用螺紋套筒連接，調節走行面縱橫向高程線形。鋼筋混凝土矮梁高0.3 m，寬0.25 m，采用高性能混凝土，HRB400鋼筋，方案見圖9。

圖9 增設鋼筋混凝土矮梁方案(單位：mm)

4 方案比選

4.1 走行面增加防腐防滑鋪裝方案

本方案的優點是施工簡單、造價低，缺點如下。

(1)豎向線形調整值<7 mm時，在承受列車碾壓作用下，鋪裝層容易翹曲，故鋪裝層厚度最小值應≮7 mm。

(2)缺少環氧涂裝材料在鋼軌道梁走行面大規模應用的實例，材料性能尚未得到驗證[10]。

(3)環氧涂裝材料使用壽命期為10～15年，后期養護維修比較困難[11]。

故該方案不能滿足要求。

4.2 走行面增設花紋鋼板方案

本方案豎向線形調整簡單，并且可以多次調整線形，造價較低；主要缺點是灌漿密實度無法得到保證，車輛碾壓下，花紋鋼板容易變形，灌漿前增加的模板不易安裝、固定[12]。

故該方案不能滿足要求。

4.3 增設可調鋼矮梁方案

本方案的優點是能調整豎向線形，加工、安裝比較方便，增加了軌道梁的整體剛度；缺點有如下幾個方面。

(1)螺栓拉壓交替受力，疲勞驗算不滿足要求。

(2)方鋼內必須安裝橫隔板，無法保證焊接質量。

(3)方鋼內側的螺母無法擰緊安裝。

(4)車輛荷載作用下螺絲帽易松動，存在嚴重的安全隱患。

(5)雨水浸濕、潮濕環境下鋼材銹蝕環節過多、無法檢查部件甚多。

故該方案不能滿足要求。

4.4 增設可調鋼筋混凝土矮梁方案

該方案能調整豎向線形，施工方便，造價較低，增加了軌道梁的整體剛度，列車行駛舒適性得到提高，故推薦該方案。

5 經濟對比

增設可調鋼筋混凝土矮梁方案與純鋼梁方案經濟對比見表1，由表1可知，采用增設可調鋼筋混凝土矮梁方案后，(20+44+20)m梁的整體造價降低約13%。

表1 可調鋼筋混凝土矮梁方案與純鋼梁方案經濟對比

6 結構分析及計算

6.1 模型建立

以(20+44+20)m連續梁為例，上側增設鋼筋混凝土矮梁，建立空間模型，共有單元449個，節點345個，空間模型見圖10。

圖10 連續結合梁空間模型

6.2 結合梁抗彎承載力驗算

(1)鋼梁承載力驗算

對鋼梁承載能力進行分析，應考慮正負彎矩區鋼梁的上下翼緣應力，主要計算結果見圖11、圖12。

圖11 鋼梁基本組合上翼緣應力(單位：MPa)

圖12 鋼梁基本組合下翼緣應力(單位：MPa)

由圖11可知，鋼梁上翼緣最大拉應力為175.1 MPa，最大壓應力為110.6 MPa，鋼板厚度為22 mm，應力允許值為270 MPa，滿足規范要求[13]。

(2)鋼梁下翼緣

由圖12可知，鋼梁下翼緣最大拉應力111.0 MPa，最大壓應力184.1 MPa，鋼板厚度為22 mm，應力允許值為270 MPa，滿足規范要求。

(2)混凝土橋面抗彎承載能力驗算

橋面板在縱向上屬于鋼筋混凝土結構，按照鋼筋混凝土結構的計算要求，分別計算混凝土板和鋼筋的應力，主要計算結果見圖13、圖14。

圖13 混凝土基本組合最大壓應力(單位：MPa)

圖14 混凝土基本組合拉應力(單位：MPa)

由圖13可知，在基本組合作用下，混凝土的最大壓應力為15.6 MPa，應力允許值為22.4 MPa，滿足規范要求。

鋼筋的應力按照混凝土應力進行折算，認為鋼筋與混凝土不發生滑移，兩者應變相同，鋼筋應力為同位置處橋面板應力的ES/E′倍(E′為考慮負彎矩開裂的混凝土等效模量)。在上述荷載組合下，負彎矩區混凝土最大拉應力9.2 MPa，由此可得負彎矩區鋼筋的最大拉應力為253.2 MPa，小于允許應力270 MPa，滿足設計要求。

(3)結合梁豎向抗剪承載力驗算

結合梁豎向抗剪承載力驗算，主要計算結果見圖15、圖16。

圖15 鋼梁基本組合最大剪應力(單位：MPa)

圖16 鋼梁基本組合折算剪應力(單位：MPa)

由圖15可知，在基本組合作用下，鋼主梁最大剪應力發生在中支點附近，最大剪應力值為21.7 MPa，小于剪應力允許值155 MPa，滿足規范要求[14]。

由圖16可知，在基本組合作用下，鋼主梁最大剪應力發生在中支點附近，最大正應力184.1 MPa，折算應力為187.9 MPa，小于容許應力270 MPa，滿足規范要求。

(4)結合梁縱向抗剪承載力驗算

結合梁縱向抗剪承載力驗算主要見表2、表3，由表2、表3可知，結合梁縱向抗剪驗算滿足規范要求。

表2 截面抗剪承載力

表3 縱向抗剪驗算

(5)整體穩定驗算

在成橋階段，鋼梁與混凝土形成組合截面，考慮一期、二期恒載和列車荷載，得到臨界穩定系數為51.2，滿足規范要求。一階失穩模態見圖17。

圖17 組合結構一階失穩模態

(6)按公路規范進行疲勞驗算

疲勞驗算結果見表4、表5。

表4 正應力疲勞驗算 MPa

表5 剪應力疲勞驗算 MPa

6.3 持久狀況-正常使用極限狀態驗算

在持久狀況正常使用極限狀態驗算中，驗算內容包括結構的撓度驗算和混凝土橋面板縱向裂縫計算。

(1)撓度驗算

考慮荷載長期效應主梁的最大撓度示意見圖18，由圖18可知，考慮放大系數后的位移值為35.5 mm，小于位移允許值88 mm。

圖18 主梁最大撓度示意(單位：mm)

(2)橋面板縱向裂縫驗算

圖19 頻遇組合混凝土拉應力示意(單位：MPa)

中支點上緣混凝土橋面板的裂縫寬度結果見表6。

表6 裂縫寬度驗算

6.4 短暫狀況-承載能力極限狀態驗算

(1)鋼梁應力驗算

鋼梁應力驗算結果見表7，由表7可知，整個施工過程，鋼主梁的最大壓應力發生于二期恒載施工完成后，最大值為61.9 MPa，小于應力允許值270 MPa；鋼主梁最大拉應力發生于墩頂混凝土澆筑完成后，最大值為59.0 MPa，小于應力允許值270 MPa，均滿足規范要求。

表7 各施工階段鋼主梁應力 MPa

(2)混凝土應力驗算

施工階段混凝土橋面板，混凝土最大應力發生在二期鋪裝施工階段。該階段混凝土橋面板最大拉應力為1.56 MPa，小于允許應力值1.83 MPa；而后收縮徐變階段，由于墩梁固結，收縮徐變會引起混凝土產生較大應力。

(3)施工過程穩定驗算

施工階段鋼梁的穩定性是結構安全計算的重要部分，在鋪設混凝土后，鋼梁與混凝土未形成整體的階段，鋼梁處于最不穩定的受力狀態。此時荷載取鋼梁和混凝土自重，以鋼梁和混凝土自重為變量驗算穩定。由計算可知，澆筑跨中混凝土階段最不利，此時鋼主梁的穩定系數為69.8，滿足規范要求。

7 結語

對比鐵路、公路、新型軌道交通等領域橋梁的二次線形處理措施，認為在云巴膠輪有軌電車鋼軌道梁頂面增設防腐防滑鋪裝、花紋鋼板、可調鋼矮梁、可調鋼筋混凝土矮梁等4種方案。通過對比各方案實現的難易程度，認為增設可調鋼筋混凝土矮梁方案技術較為合理。通過與原結構方案相比，增設可調鋼筋混凝土矮梁方案可降低整體造價13%；通過對(20+44+20)m連續鋼混結合梁進行空間計算分析，各項驗算結果均滿足規范要求，進一步驗證了增設可調鋼筋混凝土矮梁方案的可行性，得出增設可調鋼筋混凝土矮梁方案結構安全的結論。