既有公路桥梁有轨电车改造关键技术

胡玉珠 郭建勋 肖 杰

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

现代有轨电车具有节能、环保、便捷、舒适的特点，是一种运量介于轻轨和公交之间轻型轨道交通，其技术特性与轻轨相近，且可与其他交通混行。其符合现代交通工具的要求，受到各旅游城市及大城市新兴城区的欢迎，且呈快速增长趋势。由于城市道路资源有限，在城区有轨电车线路规划中，不可避免的遇到既有公路或既有桥梁的改造利用，面临一系列需要解决的问题。

1 既有桥梁改造模式

考虑安全、经济、适用等原则，对于既有公路桥梁的改造主要有以下几种模式：

1)拆除新建(方案一)。桥梁上部结构、桥墩、基础全部拆除，在原桥位重建，有必要时和公路桥梁一同建设。

2)部分改造(方案二)。部分利用既有桥梁结构，又分为两种模式，一是拆除部分梁部，甚至部分盖梁和基础，保留两侧公路行车功能。一种是重建上部结构，保留桥墩及基础。

3)桥面改造(方案三)。保留上下部主体结构，对有轨电车范围内桥面进行改造，最大限度的利用既有桥梁结构。

方案一工程质量容易保证，能满足有轨电车规划适用年限和河流行洪等技术标准，后期影响交通小。方案二和方案三可以节省投资，但既有结构的耐久性不易保证，新建结构和既有结构的衔接处易成为薄弱环节，设计周期内重建或维修风险增加。

2 既有桥梁的评估

对既有结构利用需要对既有桥梁进行评估，评估的因素包括桥梁结构强度和应力、结构刚度、桥面宽度适用性、线路条件、行洪要求、使用年限及结构耐久性等因素。

公路桥梁和轨道交通桥梁在结构刚度、结构强度和应力方面存在差异，另外轮轨左右模式对线路的线型要求与公路、市政桥梁也有所区别。这就要求在对既有公路桥梁做改造评估时，要兼顾受力和变形两种因素进行评估。

2.1 线路、桥面、使用年限适用性评估

有轨电车轴距一般在10 m以内，需要满足35 m的最小曲线半径和15 m最小缓和曲线长度的要求[6,9]，曲线半径和超高设置还需匹配车辆行驶速度。双线整幅有轨电车桥梁考虑车辆净空和接触网布置要求，双线间距一般不小于4 m，线路外侧考虑设置不小于0.55 m宽检修通道和约0.3 m的栏杆占用，总的桥面宽度不小于9 m；与公路混行时，以公路作为检修通道，最小占用宽度约为7.3 m。有轨电车设计使用年限一般为100年，利用既有桥梁时，考虑后期重建综合成本，既有桥梁的剩余使用年限建议不小于50年。

2.2 荷载和安全性评估

上海市有轨电车工程设计规范[6]规定：“有轨电车与城市道路合建桥梁结构及构件，可按道路桥梁适用的现行规范体系进行结构设计及抗震设计。”采用标准结构的桥梁可以通过荷载对比判断其安全性，多车道特殊桥梁则需要根据荷载分布情况具体分析。

2.2.1荷载标准

既有公路/市政桥梁所采用的荷载标准多采用89公路桥规[4]，04公路桥规[3]，98城市荷载[5]，11城市桥规，其中04公路桥规和11城市桥规荷载取值基本一致。89公路桥规采用的是车队荷载形式，其他规范采用集中力加均布荷载的形式。

有轨电车车辆通常采用单发车辆，最大轴重12.5 t，最大轴距18.5 m。典型的有五模块6轴有轨电车，或3模块4轴有轨电车。本文以6轴小轴距有轨电车和公路/市政桥梁荷载进行对比研究，见图1。

2.2.2不同荷载梁部受力对比

双线有轨电车桥梁设计宽度和双车道公路桥梁宽度相近，本文以双线6轴有轨电车和双车道公路/市政桥梁荷载做对比分析。结构计算时考虑荷载冲击系数，04公路桥梁以后冲击系数与基频相关，16 m，20 m，30 m梁(计算跨径15.6 m，19.5 m，29.0 m)基频分别取5.5 Hz，4.6 Hz，3.6 Hz，有轨电车冲击系数参照铁路桥规[1]计算，活载冲击系数及最大弯矩、最大剪力对比分析见表1～表3。

表1 各规范活载冲击系数

分别比较16 m，20 m，30 m简支梁的最大弯矩和最大剪力，以判断其对桥梁安全的影响。

有轨电车荷载下16 m～32 m梁梁部最大弯矩均小于公路Ⅰ级、公路Ⅱ级、汽超20荷载、98城市荷载，最大剪力小于公路Ⅰ级、汽超20荷载，略大于公路Ⅱ级荷载，基本可以判定，在恒载不增加的情况下，使用公路Ⅰ级、汽超—20，98城市A级荷载计算的常规跨度桥梁具备有轨电车改造条件，而采用公路Ⅱ级、汽—20，98城市B级荷载设计的桥梁则需要检算。由于有轨电车加载长度较短，超过32 m跨的大跨度桥梁更容易通过承载力评估。

表2 不同荷载作用下简支梁最大弯矩

表3 不同荷载作用下简支梁最大剪力

2.3 梁部刚度评估

判断梁部是否适用的另一个条件是梁部竖向刚度，在未进行梁体车桥耦合检算时，主要通过以挠度和梁端转角两个指标控制结构设计。对于无砟轨道结构，现行规范关于梁部刚度的规定对比如表4所示。

表4 各规范梁部刚度指标对比表

铁路规范对梁端转角的要求较为严格，地铁规范和有轨电车规范对活载挠度的规定较为严格。有轨电车设计时速一般低于80 kN/h，荷载较轻对于轨道的冲击效应也相应较小，可以参照地铁设计规范取值。

2.4 桥墩刚度评估

目前地铁设计规范[2]和有轨电车设计规范[6]对桥墩纵向刚度的规定均为参照铁路桥涵设计规范制定，20 m梁限值在145 kN/cm～240 kN/cm范围，30 m梁限值在260 kN/cm～320 kN/cm范围。根据铁路桥涵设计规范的条文解释，该项指标的制定主要是为了保证无缝线路的稳定性和安全性，使轨道附加应力和梁轨位移不超过限制。钢轨纵向附加应力主要由桥上列车制动力、温度力、挠曲力等作用产生的[7]。桥梁下部结构纵向水平刚度大小是影响列车制动力的主要因素，对其他附加应力影响较小，普通铁路桥梁制动力是钢轨附加力的重要组成部分。

根据《京沪高速铁路设计暂行规定》的条文说明[10]，为保证轨道的强度和稳定，钢轨的附加应力最大拉应力不超过80 MPa,最大压应力不超过61 MPa,根据铁路桥梁设计实践和众多文献资料的研究成果来看，在客货共线、高速铁路设计时，轨道的制动应力通常在10 MPa～40 MPa范围，制动位移1 mm～3 mm以内。轨道结构的竖向动弯应力也是轨道应力的重要组成部分，普通铁路的动弯应力在100 MPa左右。轻型轨道交通轴重较小，对应的动弯应力和制动应力相应较小。结合文献[8]分析，对客运专线、轻轨荷载、有轨电车制动力进行对比(见表5)。

表5 不同荷载制动力对比

有轨电车以全部制动力均由轨道承受计算，轨道制动附加应力约为8 MPa，远小于城际铁路或轻轨交通的制动附加应力，考虑其动弯效应也较小，桥墩水平刚度不再成为影响钢轨安全的控制性因素。

3 既有桥梁的改造

3.1 梁部改造

新建部分梁部时，需要考虑车辆混行及考虑电缆设备的布置问题，且为适应基础受力，新建梁部荷载不宜超原设计太多。对于利用既有梁部的桥梁，则对桥面进行部分改造或全幅改造，改造内容主要包括以下内容：

1)轨道结构可选用梁轨一体结构、承轨台+扣件结构、嵌入式结构三种形式，见图2～图4。其优缺点比较见表6。

表6 轨道形式优缺点比选

轨道形式梁轨一体承轨台+扣件嵌入式与梁体连接方式桥面钻孔承轨台预埋钢筋钢槽预埋恒载重量轻重轻结构耐久性较好好较好车辆混行不可不可可舒适性一般好好经济性好一般好受力影响小大小梁体破坏小无无

梁轨一体螺栓植入会对梁体有轻微破坏，螺栓锚固及疲劳荷载差。承轨台结构重量大，对梁体承载力要求较高。嵌入式轨道除填充物存在耐久更换问题外，对梁体影响最小，行驶性能也较好，具体车辆混行条件，推荐采用。

2)基础网和电缆槽。为尽可能的利用桥面空间，接触网基础和电缆槽一般设置于两线轨道之间，强弱电分槽布置。

3)伸缩缝。采用扣件式轨道时，轨道结构高于桥面，伸缩缝可以和公路桥面选相同型号。采用嵌入式轨道结构时，轨道结构嵌入桥面以下，采用常规公路伸缩缝需在轨道处打断，无法满足防水要求，可采用弹性体伸缩缝加钢盖板的方式解决此类问题。

3.2 桥墩及基础改造

下部结构不满足刚度或变形要求时，需要对桥墩或支座进行改造或加固处理:

1)对于两跨简支桥梁，可将固定支座设置于桥台处，增大桥梁纵向刚度，减小中墩的制动位移。

2)对于多跨桥梁，固定墩墩顶位移较大时，可以采用设置双墩固定支座的方式，增加固定桥墩数量，提高结构纵向刚度，减少纵向位移。

3)可以通过设置速度锁定器的方式，在制动力作用下使多墩联动，解决刚度问题。

4 结语

1)荷载标准是评判既有桥梁能否通行有轨电车的基础条件，采用公路Ⅰ级、汽超—20，98城市A级荷载设计的桥梁(尤其是标准梁)，一般具备有轨电车改造的条件。

2)有轨电车桥梁可按墩顶位移控制墩身刚度，可采用更换固定支座位置、多墩联合制动的方式解决墩顶纵向位移过大的问题。

3)改造桥梁轨道形式建议采用嵌入式轨道，可预留车辆混行条件，同时不增加结构自重。

既有桥梁改造技术在都江堰MTR有轨电车项目中得到应用，取得了较好的效果，可供同类工程参考。