導軌式膠輪有軌電車軌道梁豎向線形整改方案研究

延力強

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308）

1 概述

導軌式膠輪有軌電車是基于傳統(tǒng)膠輪導軌系統(tǒng)進行小型化研發(fā)而產(chǎn)生的一種新型低運量軌道交通系統(tǒng)，以高架敷設(shè)為主。運輸能力為5000～12000人次/h，路權(quán)型式為全封閉，敷設(shè)方式以高架為主，設(shè)計最高速度為60～80 km/h，列車最大長度為75 m。

導軌式膠輪有軌電車系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、建造周期短等諸多優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于大中城市主要交通線路、超大型城市交通加密線，為居民提供更智能、舒適、便捷的出行體驗。導軌式膠輪有軌電車項目效果如圖1所示。

圖1 導軌式項目效果圖

導軌梁通常采用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)、簡支梁體系或連續(xù)梁體系。采用合理的材料和結(jié)構(gòu)體系，有利于縮減施工工期，降低施工難度及造價，減小對環(huán)境的影響。目前國內(nèi)幾座城市的導軌式膠輪有軌電車常規(guī)軌道梁均采用鋼結(jié)構(gòu)，主要原因是曲線上的混凝土梁在工廠預制困難，現(xiàn)場澆筑需消耗大量的模板，造價高，線形控制難度大。

本文依托深圳市某導軌式膠輪有軌電車項目，對軌道梁的豎向線形整改方案進行研究，對增設(shè)可調(diào)鋼筋混凝土矮梁方案進行計算分析，以期為新型軌道交通類似項目提供參考。

2 結(jié)構(gòu)方案

該項目車輛采用內(nèi)嵌式走行模式，走行輪位于U形軌道梁兩側(cè)箱梁頂面，導向輪位于U形梁內(nèi)側(cè)，箱梁頂板向內(nèi)側(cè)伸出130 mm，可阻擋導向輪，防止列車傾覆。車輛端部設(shè)置逃生門，列車發(fā)生故障時，乘客可通過逃生門疏散到U形梁。軌道梁與走行輪、導向輪的相對關(guān)系如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架與軌道梁相對關(guān)系圖

該項目采用鋼軌道梁，以（25+25+25） m為基本跨，跨越路口地段主要采用以30～60 m為主跨的連續(xù)梁。本文以曲線半徑為100 m的（25+30+25）m連續(xù)鋼梁為例，單線主梁橫向?qū)挒?.7 m，梁高均為1.2 m，窄鋼箱結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)凈間距為1.2 m，鋼箱間采用工字鋼連接，沿線路方向間距為1 m。鋼梁頂板厚度為22 mm、底板厚度為16 mm，腹板厚度為14 mm，鋼材材質(zhì)為Q355qC，鋼梁橫斷面如圖3所示。

圖3 鋼梁橫斷面（單位：mm）

由于橋面即軌道面，鋼梁的加工制造水平、現(xiàn)場鋼梁架設(shè)方案，都會使成橋后的軌道梁線形與設(shè)計產(chǎn)生偏差，從而對車輛運行產(chǎn)生影響。目前國內(nèi)的幾個導軌式膠輪有軌電車項目，軌道梁架設(shè)完成后，都存在不同程度的梁體豎向線形與設(shè)計偏差較大的問題，亟需對軌道梁的豎向線形開展深入研究。

3 方案研究

3.1 走行面增設(shè)環(huán)氧薄層鋪裝

環(huán)氧薄層鋪裝是一種由特殊配方的低粘度雙組份環(huán)氧基高分子材料與細小粒徑的耐磨集料組成的多功能鋪裝面層，具有良好的耐磨、防滑、防腐等性能。國內(nèi)相關(guān)學者對環(huán)氧薄層鋪裝在公路鋼橋上的耐久性、抗疲勞等性能開展了相關(guān)研究，且在汕昆高速、杭州灣跨海大橋等公路橋梁項目上已經(jīng)有所應(yīng)用，環(huán)氧薄層鋪裝材料及應(yīng)用如圖 4、圖5所示。

圖4 環(huán)氧材料

圖5 環(huán)氧材料應(yīng)用

環(huán)氧薄層鋪裝施工前，應(yīng)對鋼板基層進行拋丸處理，處理后的鋼板基，清潔度等級應(yīng)為Sa 2.5～Sa 3，粗糙度為40 μm以上。

3.2 走行面增設(shè)花紋鋼板方案

根據(jù)梁體豎向撓度差值選用2.5～8 mm花紋鋼板進行調(diào)整，花紋鋼板與鋼梁頂板間采用可調(diào)高螺母連接，花紋鋼板與頂板間的空隙采用高性能砂漿灌注密實。車輛導向輪與走行板下緣的距離最多允許減小15 mm，因此當豎向線形調(diào)整的高度超過15 mm時，需通過切除部分原走行板實現(xiàn)。

3.2.1 調(diào)整高度 h≤15 mm

（1）采用花紋鋼板+高性能砂漿灌注方案進行調(diào)整，花紋鋼板與鋼梁頂板間設(shè)置可調(diào)高螺母，通過可調(diào)高螺母調(diào)整走行面縱向、橫向標高。螺栓沿順橋向的設(shè)置間距為0.5 m，螺栓調(diào)整到位后，從外側(cè)插入U形墊片，墊片的厚度為0.5～2 mm。花紋鋼板與鋼梁頂板間的空隙采用高性能砂漿灌注密實，方案如圖6所示。

圖6 花紋鋼板方案圖（h≤15 mm）（單位：mm）

（2）具體施工步驟：在原走行面20 mm厚鋼板伸出端一側(cè)焊接110 mm的短鋼板→花紋鋼板高差調(diào)整→高程復測→模板堵塞→灌漿→對整體結(jié)構(gòu)進行補充涂裝。

3.2.2 調(diào)整高度 15＜h≤37 mm

（1）切除原22 mm厚走行面鋼板的伸出端，然后在22 mm厚鋼板上焊接16 mm厚鋼板N1，鋼板的寬度為490 mm。在N1鋼板頂部采用5 mm厚花紋鋼板+高性能砂漿灌注方案進行調(diào)整，花紋鋼板與鋼梁頂板間設(shè)置可調(diào)高螺母，通過可調(diào)高螺母調(diào)整走行面縱向、橫向標高。螺栓沿順橋向的設(shè)置間距為0.5 m，螺栓調(diào)整到位后，從外側(cè)插入U形墊片。花紋鋼板與頂板間的空隙采用高性能砂漿灌注密實，方案如圖7所示。

圖7 花紋鋼板方案圖（15＜h≤37 mm）（單位：mm）

（2）具體施工步驟：切除原22 mm厚走行面鋼板伸出端（保留10 mm）→22 mm厚鋼板頂部焊接16 mm厚鋼板N1→花紋鋼板高差調(diào)整→高程復測→模板堵塞→灌漿→對整體結(jié)構(gòu)進行補充涂裝。

3.2.3 調(diào)整高度37＜h≤53 mm

（1）切除原22 mm厚走行面鋼板伸出端，然后在22 mm厚鋼板上焊接16 mm厚鋼板N1，鋼板的寬度為50 mm，2個N1鋼板間填充高性能填充材料。在N1鋼板頂部焊接16 mm厚鋼板N2，鋼板的寬度為490 mm。N2鋼板頂部采用5 mm厚花紋鋼板+高性能砂漿灌注方案進行調(diào)整，花紋鋼板與鋼梁頂板間設(shè)置可調(diào)高螺母，通過可調(diào)高螺母調(diào)整走行面縱向、橫向標高。螺栓沿順橋向的設(shè)置間距為0.5 m，螺栓調(diào)整到位后，從外側(cè)插入U形墊片。花紋鋼板與頂板間的空隙采用高性能砂漿灌注密實，方案如圖8所示。

圖8 花紋鋼板方案圖（37＜h≤53 mm）（單位：mm）

（2）具體施工步驟：切除原22 mm厚走行面鋼板伸出端（保留10 mm）→22 mm厚鋼板頂部焊接16 mm厚鋼板N1→鋼板N1間填充高性能填充材料→N1頂部焊接490 mm寬鋼板N2→花紋鋼板高差調(diào)整→高程復測→模板堵塞→灌漿→對整體結(jié)構(gòu)進行補充涂裝。

3.3 增設(shè)可調(diào)鋼矮梁方案

本方案在既有鋼梁上增加可調(diào)鋼矮梁，重新提供走行面和導向面。

具體施工步驟：新增20 mm厚花紋鋼板+14 mm厚導向鋼板，在工廠內(nèi)加工并焊接好螺栓桿；沿線路方向300 mm間距，增設(shè)矩形支撐鋼架；調(diào)平走行面及導向面鋼板，焊接矩形支撐鋼架與原走行面鋼板；精調(diào)走行面鋼板，方案如圖9所示。

圖9 增設(shè)可調(diào)鋼矮梁方案

3.4 增設(shè)鋼筋混凝土矮梁方案

在既有鋼梁上增加鋼筋混凝土矮梁，重新提供走行面和導向面。鋼筋混凝土梁頂部增設(shè)20 mm厚花紋鋼板，采用M20螺栓連接，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尺寸：高為300 mm、寬為250 mm，混凝土采用HRB400鋼筋，方案如圖10所示。

圖10 增設(shè)可調(diào)鋼矮梁方案（單位：mm）

施工工藝： 栓釘采用φ20栓釘及螺紋栓釘，長度為20 cm，采用熔焊栓釘機焊接，布置方案：縱向間距12.5 cm，橫向間距5 cm，單排上下栓釘錯開與上下鋼板焊接，每間隔40 cm側(cè)面螺紋栓釘采用螺紋套筒連接，調(diào)節(jié)走行面縱橫向標高線形，安裝模板，從模板預留孔口處澆筑超強混凝土。

4 方案比選

4.1 走行面增加防腐防滑鋪裝方案

本方案的優(yōu)點是施工簡單、造價低，缺點主要包括以下幾個方面：

（1）豎向線形調(diào)整值小于7 mm時，在承受列車碾壓作用下，鋪裝層容易翹曲，因此鋪裝層厚度最小值不應(yīng)小于7 mm；

（2）缺少環(huán)氧涂裝材料在軌道交通中大規(guī)模應(yīng)用的實例，材料性能尚未得到驗證；

（3）環(huán)氧涂裝材料使用壽命期10～15年，后期養(yǎng)護維修比較麻煩。

該方案不能滿足要求。

4.2 走行面增設(shè)花紋鋼板方案

本方案豎向線形調(diào)整簡單，并且可以多次調(diào)整線形，造價偏低，缺點包括以下幾個方面：

（1）調(diào)整高度h≤15 mm時，灌漿密實度無法得到保證，車輛碾壓下，花紋鋼板容易變形；

（2）調(diào)整高度15＜h≤37 mm、37＜h≤53 mm時，需切割原走行面鋼板，對原梁體焊縫產(chǎn)生不利影響；

（3）調(diào)整高度15＜h≤37 mm、37＜h≤53 mm時，原走行面鋼板、增加的鋼板N1及N2之間的焊縫質(zhì)量不能得到保證；

（4）灌漿前增加的模板，不易安裝、固定。

該方案不能滿足要求。

4.3 增設(shè)可調(diào)鋼矮梁方案

本方案的優(yōu)點是能調(diào)整豎向線形，加工、安裝比較方便，增加了軌道梁的整體剛度，缺點包括以下幾個方面：

（1）原窄箱梁焊接會導致鋼結(jié)構(gòu)翹曲不平整，無法保證鋼板之間緊密連接，不滿足構(gòu)造要求；

（2）螺栓拉壓交替受力，疲勞驗算不滿足要求；

（3）方鋼內(nèi)必須安裝橫隔板，無法保證焊接質(zhì)量；

（4）方鋼內(nèi)側(cè)的螺母無法擰緊安裝；

（5）車輛荷載作用下螺絲帽易松動，存在嚴重的安全隱患；

（6）雨水浸濕、潮濕環(huán)境下鋼材銹蝕環(huán)節(jié)過多、無法檢查部件較多。

該方案不能滿足要求。

4.4 增設(shè)鋼筋混凝土矮梁方案

本方案是本文推薦的線形調(diào)整方案，該方案能調(diào)整豎向線形，施工方便，造價較低，增加了軌道梁的整體剛度，列車行駛舒適性得到提高。

5 結(jié)構(gòu)分析及計算

5.1 模型建立

以曲線半徑為100 m的（25+30+25）m連續(xù)鋼梁為例，上側(cè)增設(shè)0.3 m高鋼筋混凝土矮梁，建立空間模型，共有單元968個，節(jié)點834個，空間模型如圖11所示。

圖11 連續(xù)組合梁空間模型

5.2 組合梁抗彎承載力驗算

5.2.1 鋼梁承載力驗算

對鋼梁的承載能力進行計算分析，主要包括正負彎矩區(qū)鋼軌道梁上、下翼緣的應(yīng)力，計算結(jié)果如圖12、圖13所示。

由圖12可知，在基本組合作用下鋼梁上翼緣最大拉應(yīng)力為124.45 MPa，最大壓應(yīng)力為-73.39 MPa；由圖13可知，鋼梁下翼緣最大拉應(yīng)力為78.63 MPa，最大壓應(yīng)力為-165.13 MPa，應(yīng)力允許值為270 MPa，滿足GB 50917-2013《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）要求[1]。

圖12 上翼緣應(yīng)力（單位：MPa）

圖13 下翼緣應(yīng)力（單位：MPa）

5.2.2 混凝土橋面抗彎承載能力驗算

對混凝土橋面進行抗彎承載能力驗算，主要包含混凝土承載力驗算、鋼筋拉應(yīng)力驗算，計算結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 混凝土承載力（單位：MPa）

圖15 混凝土拉應(yīng)力（單位：MPa）

由圖14可知，在基本組合作用下，混凝土的最大壓應(yīng)力為-14.62 MPa，應(yīng)力允許值為22.4 MPa，滿足《規(guī)范》要求；由圖15可知，在荷載組合下負彎矩區(qū)混凝土最大拉應(yīng)力10.05 MPa。鋼筋的應(yīng)力按照混凝土應(yīng)力進行折算，負彎矩區(qū)鋼筋的最大拉應(yīng)力為236.6 MPa，小于應(yīng)力允許值280 MPa，滿足《規(guī)范》要求。

5.2.3 組合梁豎向抗剪承載力驗算

組合梁豎向抗剪承載力驗算主要包含腹板抗剪承載能力計算以及腹板折算剪應(yīng)力驗算，計算結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 鋼梁腹板抗剪承載力（單位：MPa）

圖17 鋼梁腹板折算剪應(yīng)力（單位：MPa）

由圖16可知，在基本組合作用下，鋼主梁最大剪應(yīng)力發(fā)生在中支點附近，最大剪應(yīng)力值約為14.79 MPa，小于剪應(yīng)力允許值為155 MPa；由圖17可知，鋼主梁最大折算正應(yīng)力發(fā)生在中支點附近，最大正應(yīng)力為165.13 MPa，折算應(yīng)力為166.9 MPa，小于容許應(yīng)力270 MPa，均滿足《規(guī)范》要求。

5.2.4 組合梁縱向抗剪承載力驗算

表1、表2為組合梁縱向抗剪承載力驗算結(jié)果，由表可知，組合梁縱向抗剪承載力驗算滿足《規(guī)范》要求。

表1 截面抗剪承載力

表2 縱向抗剪驗算

5.2.5 整體穩(wěn)定驗算

成橋階段，鋼梁與混凝土形成組合截面，荷載考慮一期、二期恒載和列車荷載，得到臨界穩(wěn)定系數(shù)為81.1，滿足《規(guī)范》要求。一階失穩(wěn)模態(tài)如圖18所示。

圖18 組合結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)

5.3 持久狀況-正常使用極限狀態(tài)驗算

在持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算中，驗算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的撓度驗算和混凝土橋面板縱向裂縫計算。

5.3.1 撓度驗算

計算撓度時按照彈性分析的方法考慮混凝土開裂、收縮徐變等影響，同時計入荷載長期效應(yīng)的影響。由混凝土板和鋼梁間相對滑移引起的附加撓度如圖19所示。由圖可知，考慮放大系數(shù)后的位移值為16.28 mm，小于位移允許值48 mm。

圖19 主梁最大撓度圖（單位：mm）

5.3.2 橋面板縱向裂縫驗算

表3為橋面板縱向中支點上緣混凝土裂縫寬度驗算結(jié)果，由表可知，裂縫寬度為0.16 mm，小于允許值0.2 mm。

表3 裂縫寬度驗算

5.4 短暫狀況-承載能力極限狀態(tài)驗算

在結(jié)構(gòu)短暫狀況承載能力的計算分析中，主要針對施工過程結(jié)構(gòu)的受力性能進行計算分析。計算包括鋼主梁的縱向應(yīng)力、混凝土橋面板的縱向應(yīng)力以及施工過程鋼主梁的穩(wěn)定性。

5.4.1 鋼梁施工過程應(yīng)力驗算

表4為各施工階段鋼主梁應(yīng)力驗算結(jié)果，由表可知，整個施工過程，鋼主梁的最大壓應(yīng)力發(fā)生于二期恒載施工完成后，最大值為34.6 MPa，小于應(yīng)力允許值270 MPa；鋼主梁最大拉應(yīng)力發(fā)生于墩頂混凝土澆筑完成后，最大值為31.2 MPa，小于應(yīng)力允許值270 MPa，均滿足《規(guī)范》要求。

表4 各施工階段鋼主梁應(yīng)力 MPa

5.4.2 混凝土應(yīng)力驗算

混凝土橋面板最大應(yīng)力發(fā)生在二期鋪裝施工階段，該階段混凝土橋面板最大拉應(yīng)力僅為1.44 MPa，小于應(yīng)力允許值1.83 MPa。

5.4.3 施工過程穩(wěn)定驗算

在鋪設(shè)混凝土后，鋼梁與混凝土未形成整體的階段，鋼主梁處于最不穩(wěn)定的受力狀態(tài)。此時荷載取鋼梁和混凝土自重，以鋼梁和混凝土自重為變量進行驗算，通過計算可知澆筑跨中段時最不利，鋼主梁的穩(wěn)定系數(shù)為98.6，滿足《規(guī)范》要求。

5.5 剪力連接件驗算

5.5.1 構(gòu)造驗算

剪力釘?shù)臉?gòu)造驗算按照《規(guī)范》要求進行，驗算結(jié)果如下。

（1）焊有連接件的鋼板厚度不應(yīng)小于焊釘直徑的0.5倍。鋼梁上翼緣最小厚度22 mm＞0.5×焊釘直徑，滿足《規(guī)范》要求。

（2）焊釘連接件的間距不宜超過300 mm。焊釘連接件剪力作用方向（縱橋向）上的間距不宜小于焊釘直徑的5倍，且不得小于100 mm；剪力作用垂直方向（橫橋向）的間距不宜小于焊釘直徑的2.5倍，且不得小于50 mm。表5為剪力釘間距的驗算結(jié)果，由表可知，剪力釘縱橋向間距為125 mm，大于5倍焊釘直徑100 mm，小于300 mm；橫橋向間距為50 mm，大于2.5 倍焊釘直徑50 mm，滿足《規(guī)范》要求。

表5 剪力釘間距驗算 mm

（3）焊釘連接件的外側(cè)邊緣與鋼板邊緣的距離不應(yīng)小于25 mm。焊釘連接件的外側(cè)邊緣與鋼板邊緣的距離為50 mm＞25 mm，滿足《規(guī)范》要求。

5.5.2 承載能力極限狀態(tài)驗算

（1）單個剪力釘抗剪承載力計算。表6為單個剪力釘?shù)目辜舫休d能力計算結(jié)果，由表可知，單個剪力釘?shù)目辜舫休d能力Vu為87.9 kN，滿足《規(guī)范》要求。

表6 單個剪力釘抗剪承載力設(shè)計值計算

（2）剪力釘承載能力極限狀態(tài)驗算。表7為剪力釘?shù)募袅χ狄约凹袅︱炈闱闆r，由表可知，剪力釘承載能力極限狀態(tài)的受力滿足《規(guī)范》要求。

表7 剪力釘承載能力極限狀態(tài)驗算 kN

5.5.3 正常使用極限狀態(tài)驗算

（1）剪力釘抗剪剛度計算。表8為單個剪力釘抗剪剛度的計算結(jié)果，單個剪力釘?shù)目辜魟偠萲ss為274887.8 N/mm，滿足《規(guī)范》要求。

表8 剪力釘抗剪剛度計算

（2）剪力釘承載能力正常使用極限狀態(tài)驗算。表 9為驗算結(jié)果，由表可知，剪力釘正常使用極限狀態(tài)下的最大位移為0.04 mm，滿足《規(guī)范》要求。

表9 剪力釘承載能力正常使用極限狀態(tài)驗算

6 結(jié)論

（1）本文通過對走行面增加環(huán)氧薄層鋪裝、增設(shè)花紋鋼板、增設(shè)可調(diào)鋼矮梁、增設(shè)鋼筋混凝土矮梁4種方案進行研究，選出最優(yōu)軌道梁豎向線形調(diào)整方案，為新型軌道交通所有類似項目提供重要參考。

（2）本文以曲線半徑為100 m的（25+30+25）m連續(xù)鋼梁為例，對增設(shè)鋼筋混凝土矮梁后形成的組合梁的進行空間計算分析，各項驗算結(jié)果均滿足《規(guī)范》要求。