跨座式单轨PC轨道梁浅析

夏代军

(中铁二十三局六公司， 重庆 401121)

1 跨座式轨道交通

单轨交通历史悠久，至今已有一个多世纪的发展历程，技术应用逐渐成熟，日本、美国、澳大利亚、英国、新加坡、巴西等国家都修建了自己的跨座式单轨铁路。日本是跨座式交通应用较多的国家，至今已有十多条单轨交通线路投入使用，重庆轻轨早期就是引入和借鉴日本的单轨技术，现已完全实现国产化。随着地铁的发展和广泛应用，跨座式单轨交通逐渐成为城市轨道交通发展的备选方案，但近年来世界上环保意识抬头和中大型城市城市交通发展进入一个瓶颈。而跨座式单轨交通随着技术的进步和发展，其具有的低噪音、零污染和对复杂环境的高适应性成为现今中小型城市轨道交通首选方案或者中大型城市对现有城市轨道交通的首选扩充方案之一。

跨座式单轨特点是适应性强、噪音低、转弯半径小、爬坡能力非常强(最高达6 %)。类似于“空中小火车”，速度可以达到80 km/h。大型跨座式单轨列车理论上也是属于地铁的一种制式。跨座式单轨属于中等运量轨道交通系统，投资少、建设周期短，智能环保(可以实现无人驾驶)、适用性强、占地面积小，相对于地铁来说，跨座式单轨建设周期仅为地铁的一半，造价成本仅为地铁的1/3。

跨座式轨道工程具有占用空间小。不单是所占的地面面积小，垂直空间亦较小。跨座式单轨线路所需的宽度主要由车辆的宽度决定，与轨距无关。且跨座式单轨多数以高架兴建，地面上只需很小的空间建造承托路轨的桥墩。相比其他高架铁路，单轨所占的空间较小，亦不大影响视线，能有效利用道路中央隔离带，适于建筑物密度大的狭窄街区。而爬坡能力强，转弯半径小和高空地下都能穿梭的特点，使其能在各种复杂多变的城市环境中穿行自如，可见跨座式轨道交通的高适应性。

跨座式单轨工程具有投入成本低(相对于地铁)，对城市复杂环境的高兼容性和低噪音、零污染，且建设和营运中对周边环境影响小等特点。运输能力相对于地铁弱(单轨每1 h单向客运量达3×104～4×104人 )，但从重庆轻轨营运情况来看可以基本满足城市人流高峰期(上下班时间)的使用。因而作为大型城市和超大型城市地铁主线的辅助线和延伸线再合适不过，而对二线城市完全可以取代地铁作为城市主力的轨道交通。跨座式单轨使用橡胶轮胎在混凝土或者在钢轨上行走，采用电力驱动，因而其噪音小无污染，且运行方式使其可以在基本不影响居民生活的情况下穿行于居民住宅区或者直接从大楼中部穿行而过(重庆轻轨就有穿楼而过的区段，运行情况良好，基本不影响居民的生活)。目前国内有三种轻轨形式正在营运、修建及推广，其中重庆轻轨最为成熟且已有多条线路正在营运，成为重庆城市轨道交通的一个特色组成部分，并兼具观光线的功能；第二种为新引入的庞巴迪的300型轻轨，正在国内规划建设中，在巴西圣保罗已经建成一条营运线并已开始营运；第三种为比亚迪正在推广的自助研发的运轨。

跨座式轨道交通之所以被地铁取代主要的缺点也是较为明显：

(1)车辆由于采用橡胶轮胎走行，其和轨道梁之间的摩擦系数较大，因而能量消耗较大。且爬坡时对梁面和轨道磨损均较大。

(2)由于跨座式轨道交通多国都在发展，其车辆和轨道梁的变化太过繁杂，没有统一的标准，不便于发展。

(3)如果出现紧急情况，单轨铁路上的乘客没有逃生的地方。车的两旁没有可站立的路轨，而且离地面很高。头尾两端的路轨亦很窄。有些单轨铁路因此在路轨的两旁建有可供人行的紧急通道。

(4)单轨的速度及载客量通常及不上其他系统。不过，大型跨座式单轨通过加编组、缩短发车间隔等方式，客流量可以与地铁不相上下。

2 PC梁现况介绍

PC轨道梁作为跨座式轨道交通的两个重要组成部分(车辆和PC轨道梁)之一，随着跨座式轨道交通的蓬勃发展，也迎来了技术上的变革性的突破。目前轻轨车辆其灵活性和对复杂环境的适应性都大大领先于PC轨道梁的发展。如何突破跨座式轻轨的桎梏，引入新工艺发展跨座式轻轨PC梁是目前的重中之重。

PC轨道梁作为跨座式轨道交通重要组成部分之一，其功能具有高集合性，既是高架的承重梁，也是车辆行走面。铺架完成后车辆即可在上面行走，电力信号、防雷接地等设施设备均依托在梁体上面。因而其也是跨座式轨道交通技术的重难点之一。

2.1 PC梁的特点

(1)梁体上部结构采用三维一体的结构，不管梁体线性结构，竖曲线结构怎么变，梁体顶面和梁体两边侧面(车辆跨坐区域内)在横切面始终不变，也就是说梁面和侧面(车辆跨坐区域内)始终成90 °垂直。

(2)梁体线性与普通混凝土梁不同，是通过柔性侧模板来达成梁体线性控制，国内现有技术对梁体线性控制最小半径为75 m，而车辆最小转弯却可以达到更小，庞巴迪从车辆技术文件来看其转弯半径可达到45 m。

(3)由于梁面既是行走面，跨座式轨道交通线路行驶的竖曲线的微调即反应到梁面上，采用梁底结构不变，梁面竖曲线通过模型限位板进行调节，梁面作业施工时根据限位板把竖曲线直接反应到梁面上。

2.2 PC梁目前发展方向

2.2.1 小型化PC轨道梁和大型化PC轨道梁

(1)大型化PC轨道梁的好处在于更高的运载能力，主要是针对轻轨载客能力弱于地铁而进行优化。由于轻轨在城市间的适应能力，相对于地铁，其优势还是非常明显的，在客运量较大且城市复杂程度不是十分突出的城市，或则作为一二线城市在地铁的辅助外扩线路时，其增加载客能力是必要的。

(2)小型化PC轨道梁的好处在于更强的城市适应能力，在地势复杂多变的老城区也能穿行自如，是非常好的交通补充，作为地铁无法延伸到的区域进行补充，也可以作为保护区和景区内最小破坏环境的交通工具。

2.2.2 更大的跨度

跨度一直都跨座式轨道交通应付复杂环境中一个技术难题，在跨公路或则特殊地段时，虽然可以使用梁叠梁(下部为承重梁，上部为单轨梁)或则框架辅助结构等特殊方式达成，但对于复杂多变的区域，其能力就捉襟见肘了。加大跨度或则能在非特殊地段使用大跨度梁体，可以减少很多设计和使用问题。现阶段有两种加大跨度的方案。

(1)采用连续钢构梁，将梁体跨度直接提升至35 m以上。而且当跨度加大后可以减少相当数量的墩柱，达到减少成本的作用。

(2)采用T型墩的方式加大墩台到墩台之间的跨度，这样可以在不改变现在有梁型跨度的情况下加大单轨的跨度问题，这方案目前正在重庆轻轨中使用。是一个非常成熟而且实用的方案。

重庆轻轨早期也采用过现浇梁的方式来解决大跨度问题，但由于梁面平整度远不及预制梁且由于梁体刚度过大，车辆在其上行驶时舒适度非常不理想，因而在之后的施工中不再使用。在梁体发展中，采用过加高加宽梁体从而提高活载的方法，在韩国轻轨中得到了验证，韩国轻轨从重庆轻轨引进的技术，而为了加大跨度以适用当地的需要通过加高和加宽PC轨道梁的方式将单品梁跨度从最大24 m加大到28 m，但28 m的跨度依旧不能满足现在城市复杂环境的要求。随着简支转连续钢构梁的施工方案的引入，PC轨道梁的跨度也突破了30 m，基本已能满足大多城市复杂环境的需要。

现目前PC轨道梁发展主要方向为梁体更小，跨度更大，梁体曲线半径更小和更高的爬坡能力。从而提高对高复杂环境适用性。现阶段主要通过发展简支转连续钢构梁的施工方案来达成，此方案还解决了超小半径梁因剪力过大而只能为小跨度梁的问题，但其与桥墩钢构成为整体连续梁后，也对施工和后期维护等带来了新的问题和新的挑战，这个在后面庞巴迪300型中讨论。

3 国内主要两种跨座式轻轨

3.1 庞巴迪300型

庞巴迪的300型作为单轨交通中比较先进的一种新方案，其具有更快的车速，更轻的车身，更大爬坡能力，更大转弯能力，对梁外形更少的依赖性。其梁宽仅为690 mm，端部梁高为2 050 mm，梁中部为1 600 mm，单榀梁长可以达到35 m以上，梁型采用矩形结构，全部采用简支转连续钢构梁。梁体铺架后采用梁托进行临时支撑，待到连续钢构后与桥墩连成一个整体，再进行二次张拉以消除连续后梁端的剪力。转连续钢构梁后梁体两端采用柔性桥墩的方案来解决梁体伸缩问题(图1)。

图1 庞巴迪300型

3.2 重庆轻轨

重庆轻轨作为中国国内最为成熟的轻轨，最开始是引入的日本技术，现已完全国产化了，其梁宽为850 mm，在特殊地段采用钢梁替换混凝土梁的方案进行施工。通过重庆轻轨铺设情况来看，高复杂地形，且地面地下均可穿行的特点，对复杂地形的高适应性一览无遗。而且在多山和喀什特地貌环境其造价仅为地铁造价的1/3，也表现了超高的经济特性，且运营能力在加大班车的情况也能较好的满足人流高峰期的要求。但PC梁目前最需要解决的问题是跨度，以重庆轻轨为例，梁体最大仅为24 m，因而对大于该跨度采用了钢梁和T型墩(改变上部结构)方式满足现有方式，但其适应力有限且不能作为常规大跨度施工方案。

目前重庆轻轨最新设计方案为简支为主，T型墩加大跨度和简支转连续钢构梁为辅的新方案，简支梁不变采用铸钢支座，简支转连续钢构梁则是换成了摩擦支座。梁宽为850 mm，梁高简支为1.5 m，连续中段为1.5 m， 25 m和29 m垮PC轨道标准梁型两端为2.5 m高,29 m标准梁型为2.5 m。简支梁为工字型结构，简支转连续钢构梁为拱形梁结构(图2)。

图2 重庆轻轨

3.3 两种梁型的比较

庞巴迪轻轨相对于重庆轻轨来说，其梁体宽度为690 mm相对于重庆轻轨的850 mm小了不少，梁高在不考虑连续钢构梁两端加高部分的话相差不大，重庆轻轨梁型类似工字形，而庞巴迪轻轨梁型为矩形。

虽然庞巴迪轻轨梁体体型要小于重庆轻轨，但其重量在同跨度梁体中其实相当，其原因为其为了保证大跨度梁体刚度满足使用要求，加大了钢筋的使用型号，并加大了梁体张拉钢绞线的数量。

梁体曲线半径庞巴迪由于采用了简支转连续钢构梁的方案，因而梁体最小曲线半径上有了很大突破，重庆轻轨PC梁最小曲线半径只有75 m，而庞巴迪最小曲线半径理论上则可以达到45 m。

而两种梁型一种为简支梁(重庆轻轨)而另一种为简支转连续钢构梁(庞巴迪300型)，因而施工上，也有很大不同，简支梁施工基本梁体作业均在预制场内完成，但简支转连续钢构则部分工作，湿接缝和二次张拉均在梁体铺架过程中完成。

3.4 连续钢构梁和简支梁对比

连续梁优点主要有更大的跨度，更小的曲线半径，而且由于是连续梁，减少了梁缝处接缝板的使用，从而提升车辆行驶的舒适性。但其施工难度要明显高于简支梁，对铺架调试的精度要求更高，对施工的容错度非常低。而且后期维护更困难(图3、图4)。

图3 连续梁

图4 简支梁

庞巴迪轻轨和重庆轻轨新PC梁施工方案相比较，庞巴迪轻轨的方案吸收了重庆轻轨的优势并保留了自身载客量更高的优势，但其多梁型施工方案也增加了设计难度，并对预制场增加了施工难度(简支转连续钢构梁)和成本(连续梁需不同的模板)，而且整体对梁体架设后可能相对于全简支梁或则全连续钢构梁来说不够美观。

3.5 目前轻轨新技术发展遇到的问题

3.5.1 铺架问题

简支梁铺架后可以作为运梁的载体，在部分汽车吊不方便架设的地方可以用架桥机通过已铺架好的轨道梁运送架设，但连续钢构梁在未完成二次张拉前是否可以使用架桥机进行铺架，这样的铺架方式是否对梁体结构有影响。如果不能使用架桥机进行铺架的话，则需要在路面使用特殊的专用架桥机。

3.5.2 刚度提升的优势和劣势

由于市政工程中特别是复杂地形地区经常出现不可预计问题，造成部分区域预制梁需要较长时间存放于预制场，这种刚度较大的连续梁，在未完成二次张拉前较长时间存放会影响梁体徐变。而每榀PC轨道梁具有不可替换性的特点，因而施工进度和现场桥墩进度配合将是一个很大挑战。

3.5.3 连续梁相对于简支梁存在的问题

(1)维修不易，单轨梁以重庆轻轨为例，为简支梁，其后期在极端情况下可以通过更换梁体进行维护，但连续钢构梁这是不可能的，但混凝土特别是坡地大的区域对梁面磨损是巨大的，因而后期如何维护是个问题。

(2)调试困难，通过重庆轻轨情况来看，简支梁在前期铺架不是没问题，而是非常容易出现问题，且由于设计复杂，设计的错误也常有出现，但连续梁的容错性非常低，如果出现问题如何去修改或者弥补将是新技术的难题。

3.6 目前轻轨梁的通病

轻轨的爬坡能力非常强，但当PC轨道梁竖曲线过大，对车体轮胎和梁体行走面其实是一个考验，以重庆轻轨为例，即使梁体混凝土采用的C60高强度混凝土，但当在大竖曲线爬坡地段，其梁体表面会因梁面(毛面)和车辆橡胶轮胎摩擦过大而造成梁面行走区被磨成镜面，而造成营运安全隐患(车体打滑)。

梁体因运输过程中造成梁体出现暗伤，在营运一段时间后会在暗伤处出现破碎，可能影响营运安全。

4 对未来单轨的思考

城市轨道交通是城市交通发展的方向，而跨座式轻轨本身严格来说也是地铁的一种，个人觉得未来发展的方向应该是地铁和轻轨混合使用，甚至是跨座式轻轨和地铁技术的整合。目前上海地铁已出现了橡胶轮胎的地铁，而庞巴迪的新设计也有将跨座式向骑坐式发展的趋势。