现代有轨电车系统改造利用既有城市桥梁可行性研究

郭新伟,牛远志,高碧波

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

近年来，现代有轨电车在车辆结构、材质、牵引系统及控制系统等多方面取得了突破性进展，相对于传统老式有轨电车而言，现代有轨电车具有运能适中、快速便捷、运营灵活、安全舒适、绿色环保等突出优点[1，2]。

佛山市南海区新型公共交通系统试验段工程采用现代有轨电车系统，该工程位于繁华市区及快速发展的郊区，为连接城市两大交通枢纽而建，设计年限为2016年建成通车。为节约建筑用地及工程投资，该工程初步设计阶段计划改造利用某既有桥梁。

2 国外有轨电车系统利用既有桥的实例

进入21世纪以来，现代有轨电车在世界发达国家得到了快速而广泛的发展，特别是在欧洲发展的更是如火如荼[3]。

在欧洲，现代有轨电车系统改造利用既有城市桥梁的例子不在少数。如匈牙利布达佩斯有轨电车利用既有城市桥梁(图1)、法国巴黎现代有轨电车改造利用既有多瑙河桥(图2)、英国伦敦现代有轨电车改造利用废弃城市桥梁等。

图1 匈牙利布达佩斯有轨电车利用既有桥

图2 法国巴黎现代有轨电车利用既有桥

3 中国公路系统与现代有轨电车系统的荷载对比

国内现代有轨电车建设工程多数仍处于前期研究阶段。经现场调研，在已建成的为数不多的几个项目中(天津、上海、大连、长春)，线路均基本以路基方式敷设。目前国内还没有现代有轨电车系统改造利用既有城市桥梁的先例，现代有轨电车系统可否利用中国的既有城市桥梁是一个未知数。

荷载(包括恒载与活载)差异是决定现代有轨电车系统可否利用中国既有城市桥梁的基础。有轨电车可看作公共汽车与轨道交通的结合体，其车轴布置与公路汽车的车轴布置具有较大的相似性。中国公路系统与现代有轨电车系统的荷载对比见表1。

表1 中国公路系统与现代有轨电车系统荷载对比

由表1可以看出，现代有轨电车系统与中国公路系统相比较而言，恒载较重而活载稍轻。总体而言，二者的荷载值差距不大，现代有轨电车系统具备改造利用中国既有城市桥梁的基础。

4 现代有轨电车系统改造利用既有城市桥梁可行性研究

4.1 既有桥梁现状

该既有桥为城市桥梁，双向8车道，2011年11月建成通车，其技术标准如下。

设计荷载：公路-Ⅰ级，人群荷载；

桥梁宽度：分左右两幅桥，引桥每幅桥宽16.5 m，主桥每幅桥宽19.45 m。

桥型布置如下。

(1)引桥(图3)

上部结构采用20 m先张法预应力混凝土空心板，为简支结构，按部分预应力A类构件设计。下部结构采用双柱式桥墩、预应力混凝土盖梁、重力式桥台、钻孔灌注桩基础。

图3 既有桥引桥部分

(2)主桥(图4)

图4 既有桥主桥部分

上部结构采用(55+84+55) m三向预应力混凝土连续箱梁。主墩采用空心墩，边墩采用双柱式桥墩，基础均采用钻孔灌注桩基础。

4.2 桥面布置方案研究

由于有轨电车上桥占用部分路面空间，则公路行车范围必然要压缩。在保持既有桥梁左、右幅桥通行能力对等的原则下，将有轨电车线路(双线)的左、右线分置在既有桥梁的左、右幅，改造后的既有桥梁左、右幅桥桥面布置保持对称。

既有桥单个车道宽度为3.5 m(60 km/h)，现代有轨电车的设备限界宽度约3.25 m，故可根据“车道置换”的原则(即1个有轨电车车道占压1个公路车道的原则)进行桥面布置设计，既有桥梁的每幅桥仍保持4车道：3个公路车道+1个有轨电车车道，这样可保证改造后桥梁的综合交通能力不小于改造前的交通能力。由于该现代有轨电车系统需要设置接触网立柱及疏散平台，根据二者位置的变化，桥面布置方案主要有2种：方案一：疏散平台在内、接触网立柱在外；方案二：疏散平台在外、接触网立柱在内，如图5、图6所示。

图5 桥面布置方案一

图6 桥面布置方案二

由图5、图6可以看出，方案二与方案一相比有以下优点：

(1)接触网立柱设置在线路内侧，避免受汽车撞击影响，接触网立柱安全、可靠；

(2)疏散平台设置在线路外侧，人员直接疏散至公路路面，人员疏散安全、快捷。同时，疏散平台下设电缆槽，充分利用桥面空间。

显然，方案二实现了空间利用效率最大化、行车安全化、人群疏散快速化、安全化，因此推荐采用桥面布置方案二。

4.3 既有桥改造利用方案研究

4.3.1 方案简介

本方案将有轨电车系统直接设置在既有桥的桥面上，有轨电车的左、右线分居既有桥的左、右幅。为保证有轨电车无砟轨道与既有桥面的有效连接，凿除有轨电车线路下部的公路铺装层，然后设置新垫层，并通过植筋、凿毛等措施使新建垫层与既有桥面有效融合，无砟轨道道床的锚固钢筋预埋在新建垫层内。

为减小梁部承受的荷载，引桥部分的接触网立柱均设置在桥墩盖梁上，将接触网立柱荷载直接传递到桥墩。主桥部分的接触网立柱设置在悬臂板端部，主桥悬臂板采用植筋、增加板厚的方法进行局部加固。改造利用方案如图7～图10所示。

图7 引桥桥墩处横断面

图8 引桥梁跨处横断面

图9 主桥横断面(设接触网立柱)

图10 主桥横断面(不设接触网立柱)

4.3.2 既有桥主桥纵向验算

既有桥主桥为(55+84+55) m连续箱梁，考虑3线公路车道荷载+1线有轨电车活载，采用《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)极限状态法[10]进行验算。有限元计算模型见图11。

图11 (55+84+55) m连续箱梁有限元计算模型

经验算，主桥持久状况承载能力、持久状况正常使用、持久状况和短暂状态正应力等均满足规范要求(限于篇幅，不详细给出)。其中，最大挠度值发生在主跨跨中，为25 mm，挠跨比为1/3 360，静活载挠度满足现行公路规范及地铁规范的规定。

4.3.3 既有桥主桥横向验算

(1)悬臂板强度验算

通过对比公路车辆轴重与有轨电车轴重对悬臂板根部产生的荷载作用(考虑冲击系数)来判定悬臂板的强度是否满足公路规范的要求。

由表2可以看出，公路车辆轴重产生的荷载作用大于有轨电车轴重产生的荷载作用，故可判定，有轨电车荷载作用下主桥悬臂板的强度满足规范要求。

表2 轴重对悬臂板根部荷载作用对比

(2)悬臂板挠度验算

验算有轨电车活载作用下主桥悬臂板的挠度时，有轨电车轴重在一对车轮上分配时，考虑车内人群偏载及轨顶高程不等高引起的影响。

由图12可知，在有轨电车活载作用下，内侧轨道处最大竖向位移(下挠)为0.662 mm，外侧轨道处最大竖向位移(下挠)为1.4 mm，位移差为1.44-0.662=0.74 mm<3 mm。满足轨道要求。

图12 主桥桥面板位移(单位：m)

4.3.4 既有桥引桥空心板梁验算

采用《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)极限状态法[10]进行验算。

经验算，引桥空心板梁承载能力、持久状况正常使用、正应力等均满足规范要求(限于篇幅，不详细给出)。其中，在公路静活载作用下，空心板梁跨中挠度为0.011 m，挠跨比为1/1 818，满足现行公路规范的要求；在现代有轨电车静活载作用下，空心板梁跨中挠度为0.009 m，为跨径的1/2 222，满足现行地铁规范的要求。

4.3.5 既有桥墩台纵向水平线刚度验算

根据《地铁设计规范》(GB 50157—2003)[8]要求，对于单线城轨高架结构，20 m简支梁桥墩纵向水平线刚度需大于160 kN/cm；根据地铁相关设计经验，单线20 m简支梁桥台纵向水平线刚度需大于1500 kN/cm；(55+84+55) m连续梁的主墩纵向水平线刚度需大于1 500 kN/cm，边墩纵向水平线刚度需大于400 kN/cm。对既有桥的墩台纵向水平线刚度进行检算，结果见表3。

表3 既有桥墩台纵向水平线刚度

由检算结果看出，除Pm9、Pm10号墩以外其余墩台的纵向水平线刚度均满足要求。考虑到佛山地区全年温差比较小以及墩群的共同作用，经验算，全桥结构可保证轨道的稳定性，对无缝线路的安全不会产生影响。因此，可认为既有桥墩台的纵向水平线刚度满足现代有轨电车无缝线路的要求。

通过对既有城市桥梁全桥各设计参数的验算，结果表明现代有轨电车系统可以改造利用既有城市桥梁，本改造利用方案是可行的。

5 结论与建议

(1)现代有轨电车系统与中国公路系统相比，恒载较重而活载稍轻，二者的荷载值差距不大。

(2)根据既有桥梁的车道布置，需要合理整合桥面布置，特别是有轨电车系统采用接触网供电时，既不得影响既有公路的运营，又要保证有轨电车系统的安全运营。一般情况下，可采用“车道置换”的方式，保持改造后既有桥的通行能力不小于改造前的通行能力。

(3)现代有轨电车系统改造利用中国既有城市桥梁(2004年以后设计建造的，基本可代表中国多数城市桥梁)是可行的。但要结合既有桥梁的结构特点进行，需要逐个构件进行检算，否则有造成工程事故的风险。

(4)现代有轨电车系统是未来一种理想的交通方式。在工程建设过程中，会经常遇到新建桥梁或改造利用既有桥梁2种方案的抉择。而改造利用既有桥多数情况下是更经济的，因此有必要加强研究，并进而推出相关规范或规程以指导设计。

[1] 巫伟军.有轨电车系统特点及应用前景研究[J].铁道标准设计，2007(8):122-125．

[2] 王灏，田振清，周楠森，等.现代有轨电车系统研究与实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2011．

[3] 卫超，顾保南.欧洲现代有轨电车的发展及其启示[J].城市轨道交通研究，2008(1):11-14．

[4] Sophie Labbouz Youssef Diab. Tramways in France-born again for urbanism[J]. Nova Terra Connected Cities， 2007(2):22．

[5] 何宗华.发展城市轻轨交通的机遇与选择[J].城市轨道交通研究，2002(4):11-14．

[6] 周丽华.既有立交桥梁结构综合利用及改造工程设计[J].中国市政工程，2007(8):20-22．

[7] 四川省建筑科学研究院.GB 50367—2006 混凝土结构加固设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2006．

[8] 北京城建设计研究总院.GB 50157—2003 地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003．

[9] 中华人民共和国交通部公路司.JTG B01—2003 公路工程技术标准[S].北京：人民交通出版社，2004．

[10] 中交公路规划设计院.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[11] 中交公路规划设计院.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.