旅游轨道交通桥梁设计特点分析——以张家界市旅游轨道交通为例

刘宗峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

七星山位于张家界市天门山附近，山势雄伟壮观，壁立千仞，风景奇特，景点众多。山顶较平坦，面积宽广，旅游开发价值巨大。在旅游高峰期，景区与景区、景区与城市间客流集散点之间的交通拥堵问题和客运服务供需矛盾问题日显突出[1]。七星山风景优美，客流量大，但地形险峻，亟待解决交通问题。

根据旅游区交通状况，将缆车，公路及轨道交通运量列表进行比较。由表1可知，轨道交通运能远大于缆车及公路交通运量。并且轨道交通平稳性强，适宜人群广，安全性能高，受天气影响小，在这3种交通工具中具有明显优势。

表1 3种交通方式交通运量比较

完成单位运输周转量所占用地，公路是轨道交通的10倍；消费的能源，公路是轨道交通的20倍[2]，轨道交通是一种绿色的交通系统。旅游轨道交通具有运量大、能耗低、环境污染小、安全系数高等优势，根据七星山的地形特点，景区交通拟采用旅游轨道交通的方式。

2 地形地貌

七星山旅游轨道线路行走于武陵山脉的构造侵蚀溶蚀中低山区；地形起伏较大，地面高程在350～1 186 m，相对高差为20～840 m(图1)。山上植被茂密，多以乔木为主，山坡上陡崖密布，交通不便。项目所在地属中亚热带湿润型气候，气候温和，四季分明，雨量充沛。年平均气温17.7 ℃，最冷月(一月)平均5.5 ℃，最热月(七月)平均28.6 ℃，年平均降水量1 334.2 mm。

图1 七星山远瞰

不良地质主要有岩溶、危岩、落石、崩塌、岩堆等。地震动峰值加速度分区为0.05g(相当于地震基本烈度6度)，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

3 七星山旅游轨道桥梁工程设置情况

七星山旅游轨道大致分为两段，爬山段及山顶缓坡段。爬山段适应地形的最大坡度在200‰～300‰，受线路大纵坡控制，车辆拟采用齿轨系统制式(图2)，列车齿轮通过与齿轨的啮合提供前进动力，拟采用Strub系统；山顶平缓坡段，地势较平坦，主要是丘陵区，拟设置悬挂式空轨交通制式(图3)。

图2 齿轨轨道

图3 悬挂式空轨

爬坡段齿轨铁路部分，桥梁占线路总长的26%，具体桥梁长度占比参数见表2。从表2数据可知，旅游轨道桥梁高度、坡度、曲线半径等边界条件导致桥梁设置难度远大于常规铁路桥梁。

表2 桥梁分布情况

为适应旅游轨道交通以工程提升景区景点内容的目的，本线设置了轨道展线桥梁，垂直崖壁间上承式劲性骨架拱桥，瀑布前悬索桥以及山顶缓坡段玻璃箱体悬挂式空轨等桥梁相关工程。

本线施工困难，钢桥便于组装施工，减小施工难度，但考虑后期钢结构桥梁运营养护难度大，最终本线采用钢筋混凝土桥梁。

4 旅游轨道中桥梁工程设计的难点

旅游轨道交通在功能定位、系统制式、规划选线等方面均有所不同[3]。虽然我国的轨道交通积累了先进的技术，但旅游区工程受控条件较多，为吸引游客，旅游轨道常走行于较险峻地区，工程设置难度远大于常规交通。在旅游轨道交通中桥梁设计主要有以下几处需要进一步研究。

4.1 各种不同轨道制式桥梁的研究

旅游轨道交通受景点地形特点限制，以往常用的轮轨制式难以满足要求，需要根据地形适应性特点，采用齿轨、缆索铁路，悬挂式空轨、跨座式单轨等铁路。旅游轨道交通是多种制式轨道交通的组合，各种制式参数千差万别，部分制式基本参数如表3所示。

前进四路那一带是老房子，过年时大火烧着了一栋仓库，连带烧了好几家民房，春节后市政府下令整改，几个开发商看中了这块地，几番角逐后，把集贤巷和汤圆馆那片都圈了进去。刁先生鼓动得一巷子居民兴高采烈、沾沾自喜，以为咸鱼翻身的大好机会来了。

表3 不同制式轨道交通基本参数

不同轨道交通制式的列车限界、荷载、通讯、电力布设方式区别大。桥梁是高空结构，桥面结构空间小，受控条件多，不同制式中细微的区别就可能会引起桥梁构造的颠覆性变化。大坡度地区适合用齿轨、缆索铁路，在中等坡度地区适合用悬挂式空轨、中低速磁悬浮、跨座式单轨，轮轨系统仅适合在小坡度地区使用。在具体桥梁设计中需对不同制式专项研究，区别对待，建造出经济、实用、美观的旅游轨道桥梁。根据七星山的景区特点，山下采用轮轨，爬山段采用齿轨，山顶采用悬挂式空轨的交通制式。

4.2 大纵坡及小半径问题

4.2.1 大纵坡问题

地形险峻的山区旅游轨道交通中，坡降比较大，常采用齿轨铁路、缆索铁路。齿轨铁路是一种登山铁路，与普通机车相比多了一个和多个齿轮[4]，是靠齿轮间啮合力传动。缆索铁路是一种介乎索道及铁路之间的轨道交通系统[5]。常规轮轨系统受黏着力限制，坡度最大不超过3%，目前运营齿轨铁路最大坡度48%，是常规铁路最大坡度的16倍。

目前国内外齿轨铁路在路基及隧道工程中有应用实例，桥梁上无大规模设置齿轨铁路的先例。在这种极端纵坡条件下，常规简支梁端部与支座连接处，无论构造还是受力计算都难以满足要求。常规简支梁力学模型计算认为大纵坡下，恒载和活载对桥墩会产生纵向力。为此，绘制简支梁及活载作用后的分析图(图4)。

图4 大纵坡桥梁活载受力分析图式

为了简化外力传递，在简支梁端部做梯形牛腿，将复杂的外力转换为梁端内力，梁端钢筋多，截面积大，受力性能好，梁端改造后，有效简化了外力关系。

图4中F1为支反力，F2为沿梁面作用力，当列车静止或匀速运动时

F1=G·cosθF2=G·sinθ

水平分力

F3=G×cosθ·sinθF4=-G·cosθ·sinθ

由图4和计算公式可知，当活载处于平衡状态时，横向水平分力抵消。最终墩顶仅受竖向力。

经计算分析，当列车处于启动或者制动非平衡状态时，受活载重力沿桥面方向分力G·sinθ影响，下坡端水平推力远大于上坡端水平推力。桥墩承压能力强，水平抗推能力差。将桥墩下坡端进行单面放坡n∶1，而上坡端做成直坡，基础相对墩身往下坡端方向设纵向预偏心s，这种构造增加桥墩下坡端方向抵抗力矩明显，能有效节约桥墩及基础工程量。

纵向力对桥墩支座影响大，在这种极端坡度下，牵引、制动力超过活载重力的30%，常规铁路仅考虑15%，展开大纵坡上桥梁支座的专题研究，将梁底改为双制动支座，可有效分散单个固定支座的水平受力。施工过程中根据测量数据以及支座的受力情况进行分析[6]，减小纵向力、温度力的影响。

从桥式上考虑多采用连续刚构，利用桥墩联动受力，来提供纵向平衡力。另外旅游轨道交通选线竖曲线半径较小，需对变坡点处竖曲线准确位置及高程进行计算，列出计算成果表[7]，准确矫正桥梁高程。

4.2.2 小半径问题

较小的曲线半径，能够更好地适应地形，地质等外部条件约束[8]。旅游轨道线路受控因素多，速度较低，常采用极小半径。如本线26%的桥梁位于R<150 m曲线上，桥上最小半径曲线达到100 m。

当采用小半径曲线梁体时，梁体受横向偏心E值影响，会发生横向失稳，另外受纵向预应力影响，会产生径向力，发生扭转效应。

由图5可知，曲线梁中心横向偏心值E=R(1-cos(l/4πR))，本线最小半径R=100 m，采用常规跨度l=30 m时，偏心E值达到1.13 m。

图6中曲线箱梁的纵向预应力为N，qn为箱梁纵向预应力的径向分力。由弗拉索夫方程计算可知qn=N/R。

图5 曲线梁横向偏心示意

图6 曲线梁径向力示意

图7中，qy上、qy下分别为预应力束位于梁截面剪切中心以上、以下的径向效应，e上、e下分别为预应力束相对于剪切面中心向上、向下的偏心。由图7可知，当My下>My上时，梁体内侧向上扭转，反之，梁体内侧向下扭转。

图7 箱梁钢束径向分力竖向扭转受力关系示意

曲线梁除扭转外，伴随翘曲及畸变，存在“弯、剪、扭耦合”效应[9]。大纵坡条件下，竖曲线影响增加，平、纵曲线的复合作用显著，空间曲线梁非线性耦合计算更加复杂。

以上为曲线梁自身的受力不利因素，再加上活载，挠曲度，离心力，温度力、地震力等外界条件后，梁体的弯扭耦合作用、剪力滞效应、梁体横向爬移，内外侧受力不均及点铰支座偏心的计算、下部结构横向力分析等使得空间曲线梁的受力设计远比常规曲线梁复杂。

曲线梁计算常用的理论有梁格系分析法、正交异形板理论、多角形曲线桥理论、能量法等，但都有一定局限性。现在常采用有限元法，用Midas软件建立三维模型(图8)，用ASCB软件建立平面模型进行计算。

图8 小半径曲线梁有限元模型

研究表明，圆心角>30O的曲线梁非线性效益明显。当曲线一定时，尽量减小跨度，减小圆心角可有效减弱曲线桥的非线性影响。

当曲线半径和跨度一定的条件下常采用的措施主要有加宽端横梁横向外侧，加大抗扭支座间距，箱梁截面尺寸适当加大，将附属管线等放在梁体的内弧侧，跨中设置横隔板[10]，采用三向预应力体系，增加腹板厚度，加强腹板箍筋等，以使得梁体满足受力条件，达到使用要求。

大纵坡大纵向力与小半径离心力的叠加，以及空间曲线梁体耦合作用，使得旅游轨道桥梁计算远比常规桥梁复杂，设计中应合理分析边界条件并进行详细研究。

4.3 桥梁的景观概念设计

桥梁结构形式多种多样，可改造性强，利用不同桥式的外观造型丰富景点内容，并可对既有的桥梁形式进行创新，局部调整改造。进行桥梁景观概念性设计，建造出形态独特的景观性桥梁，以达到 “新、奇、特、险”的要求，可增强对游客的吸引力，有效增加景区收益。

桥梁的景观要体现该地区的自然景观， 人文景观和历史文化景观， 并使之相融合， 这是桥梁景观设计的核心[11]。如青藏铁路的拉萨河特大桥拱桥，主桥的系杆拱宛如洁白的哈达，飘舞在青山碧水间[12]，将桥梁景观与人文及历史文化结合后，拉萨河拱桥设计受到高度赞誉。

我国对于桥梁景观概念的设计和研究已经有了足够重视， 但是与先进国家比较我国桥梁景观设计依旧在初级阶段，这主要归结于桥梁景观美学在我国桥梁历史上很少作为一门综合学科来发展和研究[13]，桥梁设计师应在提高结构设计的同时，提高美学素养。特大型桥梁的出现表明我国桥梁建设已进入成熟阶段，当前主要任务是提高桥梁景观概念设计及研究水平。

4.4 桥面防落石体系

本线危岩、落石、岩堆、崩塌等广泛分布，为吸引游客，旅游轨道常走行于极其险峻地形。陡峭险峻地区，危岩落石发生几率大幅增加。由表2可知，43%的桥梁高度大于35 m，在这种高桥位置，防落石结构基础难以设置，对危岩落石的防护结构需要进一步研究。

运用数值模拟软件对边坡落石运动进行计算分析，获取落石运动轨迹、速度、能量以及弹跳高度[14]。确定需要防护的范围及等级，将桥梁与防护结构统一考虑，进行桥梁与防护结构一体化研究。

桥梁与防护棚洞一体化构造中，目前使用较多的就是柔性防护棚洞(图9、图10)，柔性防护棚洞是在梁底与翼缘板间加斜撑，纵向间距约1.5 m设1道支撑。上面柔性棚洞骨架与翼缘板斜撑位置连接。结构主要组成部件：型钢钢拱架+钢管横支撑+钢管斜支撑+环形网+拦截钢丝绳+耗能器+双层双绞六边形格栅网+U形螺栓。

图9 柔性防护棚架横断面

图10 柔性防护棚架纵断面

落石防护棚洞主要荷载就是落石的冲击力[16]。对冲击力的计算有经典的Hertz接触力学理论和Thornton弹塑性碰撞理论[17]，落石冲击过程是一种脉冲式的碰撞行为[18]。

国外对冲击力的计算常基于现场冲击力实验的半经验半理论算法，如日本道路公团， Labiouse等的推荐算法[15]。分析落石撞击速度、冲击能量、缓冲层厚度对防护棚洞动力过程等非线性响应多采用LS-DYNA、 ABAQUS等有限元动力仿真软件。

利用LS-DYNA软件对柔性防护棚洞结构进行模拟分析计算(图11、图12)。

图11 落石冲击整体模型

图12 落石冲击局部模型

结果表明，该柔性棚洞能够对初始动能为100 kJ的落石有效拦截，没有发生穿透环形网、支撑绳和环形网破断现象。

从落石的冲量公式：Mv=ft可知，环形网及耗能器可延长作用时间t，从而有效降低冲击力f。除在柔性防护网上设置延时装置外，在支座处设支座减震器，支座减震器利用自身的塑性变形吸收落石冲击能量。

当落石产生时，通过主被动网拦截后，漏出的石头尺寸小于网格间距，对这种“漏网之石”进行测算，其能量一般不超过30 kJ。在梁体上加设挡护结构，可考虑防护标准不大于30 kJ。将防护多层化处理，可有效降低防护难度及减小防护结构尺寸。在高桥段落宜采用桥梁落石防护一体化结构，并且防护结构需根据实际需要确定，不宜尺寸过大。

4.5 桥梁工程现场装配式施工研究

旅游轨道交通位于景区，土建工程规模过大，势必会影响景区环境。研究结构轻盈的桥跨结构，进行尺寸标准化设计，进行厂家预制生产，现场装配式施工，可有效减少环境影响。

全预制桥梁，是一种将桥梁上部和下部结构的主要构件工厂集中预制，现场拼装的桥梁[19]。其核心问题就是结构尺寸的确定。

这些结构尺寸标准化工作难度较大，以悬挂式空轨为例，悬挂式空轨结构轻盈，构造尺寸小，在轨道梁采用高1 100 mm×宽780 mm同一尺寸的条件下，钢板厚度选取就各不相同(表4)。

表4 轨道梁钢板厚度

根据工程实际需要，计算出最合理尺寸，进行标准化设计，厂家预制生产，现场进行装配式施工。桥梁装配式施工具有施工方便、工程进度快、对周围环境影响小且建筑构件的质量容易得到保证等优点[21]。

5 结语

旅游轨道交通在景区交通中有明显优势，分析新的工程背景下轨道桥梁结构设计的特点，开展专题研究，克服困难，建造出满足要求的各式桥梁，以促进我国轨道交通产业以及旅游产业健康发展。