吉安赣江大桥公轨合建桥梁方案比选与受力分析

徐友才， 游勇利， 刘 华

(1.江西省公路科研设计院有限公司， 江西 南昌 330002； 2.吉安市路桥工程局， 江西 吉安 343500)

1 工程概述

吉安赣江大桥位于吉安市中心城区，东接青原区赣江大道，西接吉州区吉安南大道，是吉安市东西向重要的交通通道。受服役周期长、桥梁病害严重以及桥面宽度不能满足城市发展需要等不利因素的影响，拟将老桥拆除并在原址上新建一座大桥。

吉安赣江大桥为兼顾城市道路功能的桥梁，由通航主桥和引桥组成。主桥采用(75+2×120+75)m预应力混凝土变高度连续梁，引桥采用25～42m不等的预应力混凝土连续箱梁，桥梁全长1501.2m。根据规划要求，大桥近期按照公路标准建设，桥面设双向车道+非机动车道+人行道，远期预留有轨电车通道，计划将中间2个机动车道改造成轨道交通。

考虑到公路与轨道交通同平面合建的大跨径桥梁建设经验较少，吉安赣江大桥设计中，积极开展了预留轨道交通空间的相关技术专题研究，研究内容包括预留轨道交通空间位置的比选、设计标准、公路荷载与有轨电车荷载效应对比、设计参数、列车行走平稳性及安全性等关键技术。

2 轨道交通空间位置的比选

现代有轨电车具有多种路权方式，由于半独立路权(路段封闭+路口开放)方式需采用地面敷设，其运行效率受机动车、非机动车和行人等常规城市交通元素的制约，如何降低有轨电车对城市交通的影响且保证其高效运营是研究的重、难点。

有轨电车在路基段的布置方式一般分为两种，分隔带布置和路侧布置(宜布置在侧分带左右侧)，根据规划要求、交通安全、运行效率及道路沿线建设情况，本项目路基段有轨电车路线设置在中央分隔带上。

根据路基段有轨电车路线设置情况，对桥梁段有轨电车的布置进行了比较，其中方案1采用公轨桥梁分离布置(见图1、图2)，方案2采用公轨桥梁合建布置(见图3、图4)。

图1 公轨桥梁分离布置(近期)(单位： cm)

图2 公轨桥梁分离布置(远期)(单位： cm)

图3 公轨桥梁合建布置(近期)(单位： cm)

图4 公轨桥梁合建布置(远期)(单位： cm)

通过对两种方案的经济性、适用性和可行性等方面对比分析，决定采用方案2，其原因在于： ① 两种方案桥梁结构受力均满足相关设计规范要求，但方案2建设费用较低，工期短。② 本项目跨径较大，如采用方案1，则轨道交通桥梁的钢束构造布置空间不满足要求；对于小跨径桥梁，可以采用方案1。③ 本项目有轨电车为分期建设，近期可采用双向公路6车道，后期利用中间2个车道改造成轨道交通通道，整个工程建设较节省，且方案合理可行。

3 作用类型与作用组合

3.1 作用类型

吉安赣江大桥为一座兼顾城市道路功能的桥梁，同时考虑远期预留有轨电车通道，作用设计力根据《公路桥涵设计通用规范》[1]和《城市道路与轨道交通合建桥梁设计规范》[2]有关规定执行(见表1)。

3.2 有轨电车活载

根据规划，有轨电车将在中央绿化带上通行，吉安赣江大桥的有轨电车通道将预留在内侧。为节约成本，站台间无架空接触网。采用站台内充电蓄电的低踏板车辆，车辆可根据运能需要，采用多个模块进行编组，并形成适合线路条件的动拖比布置。每辆车可独立运行，也可连挂运行，车辆轴重120 kN。

表1 作用类型分类名称分类名称结构自重列车横向摇摆力附属设备自重制动力或牵引力恒载预加应力附加力风力混凝土收缩徐变流水压力基础变位温度力水浮力支座摩阻力主力汽车活载列车脱轨荷载列车活载船只或汽车撞击力活载冲击力特殊荷载施工临时荷载人群荷载地震作用 钢轨纵向力无缝线路断轨力

有轨电车荷载纵向布置见图5，有轨电车技术参数见表2。

图5 有轨电车荷载纵向布置

3.3 作用组合

作用组合按规范[1]、[2]有关规定执行。列车脱轨作用、船舶撞击力、汽车撞击力仅计算其中的一种作用，且不与其他附加力组合。活载按汽车与有轨电车直接组合；车辆制动力按汽车与有轨电车直接组合。

表2 有轨电车技术参数最高运营速度/(km·h-1)定员/人列车长度/mm紧急制动减速度/(m·s-2)车体宽度/mm车体高度/mm踏板高度/mm轴重/kN7036834 800≥2.52 6503 560350120

4 公路荷载与有轨电车荷载效应分析对比

4.1 箱梁桥面板荷载效应分析

根据公路规范[1]车辆荷载轴重的标准值，后轴为140kN，轴间距1.4m，轮距1.8m(见图6)；本由图5可知项目采用的有轨电车车辆荷载平均轴重为120kN，轴间距1.8m，轮距为1.435m。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[5]4.2条计算分析可知，公路车辆对箱梁桥面板荷载效应大于有轨电车荷载(见表3)。因此，箱梁桥面板荷载效应分析均采用公路车辆荷载。

图6 公路汽车车辆荷载纵向布置

表3 汽车、有轨电车桥面板荷载x坐标汽车荷载有轨电车荷载有效宽度a/m车轮荷载P/kN折线横向分布系数有效宽度a/m车轮荷载P/kN折线横向分布系数0.82 5.4828051.09 5.8824040.82 1.38 5.4828051.09 5.8824040.82 3.00 0.84140166.67 0.84120142.86 3.55 0.84140166.67 0.84120142.86 5.17 5.4828051.09 5.8824040.82 7.51 5.4828051.09 5.8824040.82 9.13 0.84140166.67 0.84120142.86 9.68 0.84140166.67 0.84120142.86 11.30 5.4828051.09 5.8824040.82 13.63 5.4828051.09 5.8824040.82 15.25 0.84140166.67 0.84120142.86 15.80 0.84140166.67 0.84120142.86 17.42 5.4828051.09 5.8824040.82 17.98 5.4828051.09 5.8824040.82

4.2 桥梁受力分析

规范[2]规定:对同时承受汽车与轨道交通荷载的桥梁结构，应进行承载力承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。

结合桥梁结构设计图纸，结构静力分析采用Midas Civil 2015进行分析，全桥共划分134个单元。有限元模型见图7。

图7 有限元计算模型

汽车和列车荷载共同作用时，宜采用同一动力放大系数(1+μ)，动力放大系数将汽车和列车分别计算并取较大值。汽车荷载竖向动力放大系数为1.05，有轨电车荷载竖向动力放大系数为1.064，因此，本桥梁结构的竖向动力放大系数设计值取1.064。

4.2.1荷载弯矩效应分析

根据桥梁有限元分析结果可知，主桥远期(汽车+有轨电车荷载)比近期(汽车荷载)弯矩效应小(见图8、图9)，且桥梁结构承载能力在极限状态和正常使用极限状态下，正截面和斜截面的各项抗力验算及应力验算指标均满足现行规范要求。

图8 近期(汽车荷载)、远期(汽车+有轨电车荷载)弯矩效应对比

图9 持久状况承载能力极限状态弯矩比较

4.2.2主梁竖向挠度验算分析

主梁容许竖向挠度限值主要是从列车运行的安全性、舒适性与混凝土结构徐变预拱度控制等方面考虑。一般来说，高速铁路荷载大、车速快，车桥振动较大，对桥梁刚度要求严格；城市轨道交通荷载较小，速度低，对桥梁刚度要求相对较低。

铁路规范规定预应力混凝土梁挠度容许值为L/800。《地铁设计规范》[4]对高架区间结构规定跨度L>80 m的梁式桥，竖向挠度容许值为L/1000。参照规范[2]和规范[4]，吉安赣江大桥主梁采用预应力混凝土梁桥结构，桥梁竖向挠度容许值为L/1 000。由此可知吉安赣江大桥竖向挠度满足要求，有轨电车荷载产生的竖向挠度值略小于公路-Ⅰ荷载产生的竖向挠度值(见表4)。

表4 持久状况正常使用极限状态竖向挠度mm项目竖向挠度设计值近期远期竖向挠度容许值第1跨16.9012.5975第2跨40.50 30.45120第3跨40.50 30.45120第4跨16.90 12.5975

通过以上分析，有轨电车荷载产生的效应值略小于公路-Ⅰ荷载产生的效应值，桥梁各项受力指标均满足规范要求，公轨桥梁合建方案可行。

5 结论

吉安赣江大桥设计中开展了预留轨道交通空间位置、作用类型和作用组合等相关技术专题研究，得到以下结论：

1) 荷载标准的比较是公轨合建的基本前提，经过分析比较，公轨共梁单层合建方案可行。

2) 公路与轨道交通工程合建可充分利用有限的资源、节省工程投资，该方案可为类似工程提供参考。