廈門市BRT高架橋梁總體設(shè)計與靜動載試驗研究

秦紅禧,何旭輝,歐陽永金

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,長沙 410075；2.廈門市市政建設(shè)開發(fā)總公司,福建廈門 361004)

1 概述

BRT(Bus Rapid Transit)是源自巴西的一種新型的大容量的公共交通措施,是當(dāng)前國際上積極倡導(dǎo)推廣的一種以人為本的公共交通模式。因具有低成本、低污染、高效率及乘車舒適的特點,近年來在世界各地特別是亞洲各大城市,得到了較大范圍的推廣和應(yīng)用。由于其投資及運營成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軌道交通,運營和使用效果又接近軌道交通,因此被稱為“使用公交車的地面鐵路”。廈門BRT 1號線于2008年9月正式投入使用,是我國首個高架橋模式的快速公交系統(tǒng)。

廈門市BRT 1號線,起自第一碼頭,終至廈門新站,線路全長32.96 km,其中高架線路22.9 km,地面線路7.96 km,地下線路2.1 km橋段。全程共設(shè)車站22座,其中高架車站16座,高架車場1個,地面車站4座,地下車站1座,如圖1所示。值得一提的是,1號線中總長度為15.364 km的島內(nèi)區(qū)間段,全部采用高架橋形式,高架車道與高架車站僅占用道路中央4 m綠化帶,大大減少了對地面空間的占用,如圖2所示。

圖1 廈門BRT 1號線線路規(guī)劃

圖2 廈門BRT 1號線高架橋立面布置

此外,從城市的長期發(fā)展考慮,BRT 1號線線位與軌道交通1號線的線位重合,近期為BRT大容量公交系統(tǒng),遠(yuǎn)期升級為輕軌,這種設(shè)計在我國亦尚屬首例。

2 高架橋梁總體設(shè)計

2.1 設(shè)計荷載

廈門市BRT主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年,鋼結(jié)構(gòu)防腐為30年。對于BRT這種大容量公交系統(tǒng)的車輛選取以及輕軌活載的選取,目前規(guī)范中尚無相應(yīng)的規(guī)定,設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。廈門市BRT橋梁結(jié)構(gòu)分別按BRT車輛活載及直線電機B型車活載進(jìn)行雙重檢算,其計算活載如下。

(1)BRT車輛荷載：BRT車輛重295 kN,按三軸布置,P=100 kN。荷載圖式見圖3。

圖3 BRT車輛荷載圖示(單位：cm)

(2)直線電機B型車輛載荷：每列車按4輛編組,P=130 kN。荷載圖式見圖4。

圖4 直線電機B型車輛荷載圖示(單位：cm)

(3)人群荷載:4.0 kPa。

(4)地震烈度：地震動峰值加速度0.1g,相當(dāng)于7度地震區(qū)。

(5)風(fēng)荷載：按“全國基本風(fēng)壓圖”考慮。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)體系的選擇

國內(nèi)目前建成的城市高架橋和軌道交通高架線路比較多,簡支體系和連續(xù)體系在高架橋梁中均有運用。針對本項目而言,若簡支結(jié)構(gòu)體系過多,伸縮縫會使乘客的舒適性大大降低,違背了“以人為本”的設(shè)計理念；同時車輪撞擊梁端伸縮縫產(chǎn)生的噪聲也對城市環(huán)保構(gòu)成影響。因此,本項目采用較短聯(lián)長的連續(xù)梁作為標(biāo)準(zhǔn)聯(lián),一般聯(lián)長控制在100～120 m。

2.3 橋跨布置與橫斷面布置

廈門市BRT高架橋梁在進(jìn)行橋跨布置設(shè)計時,充分考慮道路的規(guī)劃橫斷面和地面交通組織,在滿足行車條件下進(jìn)行橋梁布跨,根據(jù)景觀和施工的要求,孔跨布置力求標(biāo)準(zhǔn)化,不宜采用大跨,以免破壞橋梁建筑空間上的連續(xù)性,增大體量。盡量不采用或少采用門式墩,通過地面交通組織的改造和橋梁結(jié)構(gòu)形式的調(diào)整,將門式墩對空間的分隔感降到最低。并充分考慮橋梁跨度布置與工程實施時的各項影響因素,保證橋梁施工在合理劃分的標(biāo)段范圍內(nèi)具有統(tǒng)一的工法。經(jīng)綜合比較,廈門市BRT高架橋采用30 m跨度作為一般地段高架結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)跨徑,考慮到線路存在曲線半徑較小的情況以及受地形等各種因素所限,選擇25 m的跨徑作為調(diào)整跨。

此外,根據(jù)軌道交通規(guī)劃以及BRT車輛的限界要求,橋梁橫斷面布置設(shè)計為：

10 m=0.5 m(防撞護(hù)欄)+0.5 m(路緣帶)+3.75 m(BRT車道)+0.5 m(雙黃線)+3.75 m(BRT車道)+0.5 m(路緣帶)+0.5 m(防撞護(hù)欄),如圖5所示。

圖5 橋梁橫斷面布置示意(單位：m)

2.4 橋梁橫斷面設(shè)計

結(jié)合工程實際情況,為使橋梁與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一,增加城市景觀,廈門市BRT高架橋梁采用大斜度斜腹板式箱形截面,包括預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁截面和鋼箱梁截面2種,其中前者為單箱單室,后者為單箱雙室。橋梁采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,主梁頂面寬度均為10 m,并在每端留10 cm與防撞墻現(xiàn)澆；底部寬度為4.45 m,箱梁翼緣板挑臂長度為2.0 m。翼緣板端部厚18 cm,與腹板交接處加厚到45 cm；頂板厚28 cm,底板厚度為25 cm,腹板厚度40 cm。斜腹板的斜度為2∶1,腹板與翼緣板、底板的外輪廓交接均以圓弧過渡,與翼緣板的交接半徑為1.5 m；與底板的交接半徑為15 cm。箱梁在梁高中點位置沿縱向每隔3 m設(shè)置一個直徑8 cm的通風(fēng)孔,左右對稱設(shè)置。箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面如圖6所示。

圖6 箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面示意(單位：cm)

2.5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

廈門市BRT 1號線島內(nèi)段高架橋梁絕大部分區(qū)段處于地面道路中央分隔帶中,墩高較高,約5.8～16.0 m,墩身平均高度在9.0 m左右。為方便施工,橋墩的設(shè)計也盡量保持一致。標(biāo)準(zhǔn)跨徑的橋墩均采用Y形板式墩設(shè)計(圖7),截面尺寸為1.6 m×2.4 m(縱橋向×橫橋向)；對于跨越既有道路的特殊路段,為減小跨徑,則采用雙柱式墩設(shè)計,如圖8所示。在滿足結(jié)構(gòu)受力及結(jié)構(gòu)安全的前提下,廈門BRT高架橋橋墩的設(shè)計綜合考慮了經(jīng)濟、施工等因素,并著重考慮了其美學(xué)效果,如在橋墩正面外側(cè)設(shè)計10 cm深的裝飾槽,并使墩身到墩頂截面橫橋向尺寸的過渡與箱梁斜腹板的斜率一致,從而使橋墩與梁協(xié)調(diào)統(tǒng)一,達(dá)到良好的景觀效果。

圖7 Y形板式橋墩一般構(gòu)造

圖8 雙柱式橋墩一般構(gòu)造

2.6 附屬設(shè)施設(shè)計

考慮到與普通公交車相比,BRT車體較大,行車速度也較快(一般地段60 km/h,困難地段限速40 km/h),因此橋梁防撞護(hù)欄在采用F形混凝土防撞護(hù)欄SB安全等級基礎(chǔ)上改良,提高護(hù)欄的強度和有效高度,保證BRT車輛的行車安全。防撞護(hù)欄用外掛花籃式(圖9),花槽每隔2 m設(shè)置一道與防撞護(hù)欄銜接的加勁肋,并采用智能滴灌系統(tǒng)進(jìn)行花草澆灌,當(dāng)花槽內(nèi)部積水時,則可通過護(hù)欄內(nèi)部的排水管引至橋面,并最終匯入橋面隱式排水系統(tǒng)。外掛花籃式防撞護(hù)欄實景如圖10所示。

圖9 外掛花籃式防撞護(hù)欄一般構(gòu)造

圖10 外掛花籃式防撞護(hù)欄實景

護(hù)欄頂部設(shè)置聲屏障及燈帶鋼管,箱梁翼緣板端下掛設(shè)吸頂燈,用于橋下地面道路的夜間照明,可充分利用空間資源,并使地面交通設(shè)計簡約、美觀。同時,基于近期為BRT、遠(yuǎn)期升級為軌道交通的實際需求,為滿足近、遠(yuǎn)期的站間通信及景觀照明等,在指定位置預(yù)埋接線盒。

2.7 高架車站設(shè)計

廈門BRT 1號線共設(shè)置16個高架車站,城區(qū)內(nèi)站間距為600 m,郊區(qū)站間距為1 000 m。高架車站為三層建筑物,底層由既有路面交通及常規(guī)公交站點組成,便于中轉(zhuǎn)；中間層充當(dāng)檢票系統(tǒng)和站廳,長30 m,寬16 m,并與跨線天橋配合使用；頂層為側(cè)式站臺,長54 m(預(yù)留75 m升級為輕軌站臺),寬3 m,如圖11所示。

圖11 BRT高架車站外觀實景

圖12 BRT高架車站空間結(jié)構(gòu)透視

高架車站均安裝電梯,乘客乘電梯到二樓買票、進(jìn)站,然后到三樓乘車,如圖12所示。高架車站內(nèi)還設(shè)有小型便利店、報刊亭等商業(yè)設(shè)施,以便給乘客提供更好的服務(wù)。

高架車站建筑整體設(shè)計精致,美觀,并具有合理的經(jīng)濟性。此外,廈門BRT還率先在全國采用自動售檢票系統(tǒng)。

3 靜動載試驗研究

為正確評估廈門BRT 1號線高架橋梁的靜動力特性、合理預(yù)測運營階段橋梁結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為,廈門BRT 1號線高架橋在通車之前進(jìn)行了成橋荷載試驗。本文以其中較為典型的第106聯(lián)——呂嶺路跨線橋為研究對象,對其靜動力學(xué)特性進(jìn)行實橋測試與分析,并將其自振特性和靜載試驗結(jié)果與理論計算值相比較,考察橋梁的自振特性、靜力特性及車速對其動力特性的影響,了解橋跨結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài),判斷實際承載能力,為BRT高架橋的工程應(yīng)用提供理論依據(jù),并可為其在運營階段的監(jiān)測,尤其是老化階段的檢測與評定提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息。

3.1 橋梁概況

呂嶺路跨線橋為3跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋,跨徑布置為(35+55+35) m,中支點梁高3.2 m,邊支點和中跨跨中梁高1.8 m,梁底按半徑R=232.932 m的圓曲線變化,采用單箱單室斜腹板截面。箱梁頂寬9.8 m(兩側(cè)各留10 cm與防撞護(hù)欄現(xiàn)澆),底寬3.05 m；箱梁翼緣板挑臂長2.0 m；頂板厚28 cm,底板厚由跨中的25 cm變化至中支點處的50 cm,腹板厚度40 cm,在中支點兩側(cè)各10.5 m范圍內(nèi)腹板加厚為60 cm,在邊支點附近8.5 m范圍內(nèi)因腹板預(yù)應(yīng)力束布置的需要加厚至60 cm。腹板與翼緣板、底板的外輪廓交接均以圓弧過渡,與翼緣板的交接半徑為1.5 m,與底板的交接半徑為15 cm。全橋采用C50混凝土,所用混凝土約900 m3。

3.2 有限元計算模型

為準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)特性和確定最不利輪位布載,采用大型有限元程序ANSYS10.0建立有限元計算模型,如圖13所示。采用Solid45單元建立橋梁的空間模型,建模過程中采用人工控制節(jié)點的方式,在加載位置和測點附近單元劃分較細(xì),其他部分單元劃分較粗,從而在降低運算規(guī)模的同時,保證計算結(jié)果足夠的可靠性。有限元模型按照設(shè)計要求模擬邊界條件,未建立橋墩結(jié)構(gòu),但在橋梁支座位置處按支座的實際尺寸建立節(jié)點和單元,以考慮實際結(jié)構(gòu)中支座尺寸和位置對結(jié)構(gòu)的影響。

圖13 呂嶺路跨線橋空間有限元模型

3.3 靜力分析與靜載試驗

由于BRT設(shè)計荷載分別按BRT車輛活載及直線電機B型車活載雙重檢算,因此靜載試驗取最大值作為控制荷載進(jìn)行試驗。靜載試驗加載方案包括試驗加載位置與加載工況的確定,根據(jù)設(shè)計控制荷載在主梁上產(chǎn)生的最不利彎矩效應(yīng)值按效率系數(shù)ηq等效換算得到。為保證試驗效果,靜力試驗荷載采用載重汽車進(jìn)行等效加載,其相應(yīng)加載車輛的數(shù)量及位置應(yīng)使該檢驗項目的荷載效率系數(shù)滿足：0.80≤ηq≤1.05。利用midas/Civil軟件具有的“移動荷載追蹤器”功能,分別計算BRT車輛活載及直線電機B型車活載作用下的活載效應(yīng),根據(jù)理論計算的各控制截面的內(nèi)力影響線、橋跨情況和實際加載汽車軸重,確定本橋的試驗加載工況。

3.4 靜載試驗分析

靜載試驗的目的是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的變形及主要受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài),測試內(nèi)容包括梁體控制截面應(yīng)力和梁體豎向靜撓度,此外,還進(jìn)行了裂縫觀測。實際靜載試驗中,采用質(zhì)量為38 t的三軸載重汽車6輛,一共進(jìn)行了6種荷載試驗工況,分別為中跨中對稱加載(圖14)、中跨中偏載、邊跨中對稱加載、邊跨中偏載、墩頂負(fù)彎矩工況a和墩頂負(fù)彎矩工況b。正式進(jìn)行加載前,應(yīng)先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加載,以消除非彈性變形的影響。各工況均加載2次,每次加載時間應(yīng)足夠長,以保證結(jié)構(gòu)完全變形。卸載之后,應(yīng)等橋梁結(jié)構(gòu)回復(fù)到初始狀態(tài)后再進(jìn)行其他工況的加載。篇幅所限,現(xiàn)僅給出中跨中對稱加載工況下,結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)變響應(yīng)。如圖14～圖16所示,中跨中對稱加載工況下,共計在中跨中截面底部布置3枚SM-5A型振弦式應(yīng)變計,測得的數(shù)據(jù)可以反映結(jié)構(gòu)跨中部位的局部應(yīng)力分布情況。撓度測試主要采用高精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行,測試時,選取不受荷載影響的穩(wěn)定的后視點。

圖14 加載車輛布置示意

圖15 測點布置示意

圖16 靜載試驗部分現(xiàn)場照片

中跨中對稱加載工況下,跨中撓度實測值和理論計算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 截面應(yīng)力實測值與理論值比較 MPa

注：彈性模量取規(guī)范(JTGD62—2004)值：E=3.45×104MPa

表2 梁體豎向靜撓度實測值與理論值比較 mm

注：(1)表中結(jié)果扣除了支座沉降：(2)殘余變形均為0。

由表1、表2可知,在中跨中對稱荷載作用下,最大實測梁體靜撓度為10.9 mm,小于相應(yīng)位置的理論撓度值12.5 mm,變形校驗系數(shù)在0.815～0.872,理論與實測符合良好,表明結(jié)構(gòu)具有良好的剛度,且具有一定的安全儲備；實測本聯(lián)中跨跨中梁底最大拉應(yīng)力為2.59 MPa,應(yīng)力校驗系數(shù)介于0.632～0.704,實測應(yīng)變回零狀況良好,說明主梁結(jié)構(gòu)具有足夠的強度。變形校驗系數(shù)處于試驗方法建議的合理范圍內(nèi)，應(yīng)力校驗系數(shù)較建議值略小。整個試驗過程中,未發(fā)現(xiàn)任何肉眼能見的載荷裂紋,結(jié)構(gòu)受力符合一般力學(xué)規(guī)律,殘余變形、殘余應(yīng)變基本為零,主梁處于彈性工作狀態(tài)。

3.5 模態(tài)分析與動載試驗分析

3.5.1 動載試驗介紹

橋梁結(jié)構(gòu)的動力荷載試驗是研究橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動特性。這些測試結(jié)果數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運營狀況和承載特性的重要指標(biāo)。

本橋動載試驗包括環(huán)境隨機振動(脈動),無障礙行車,跳車以及剎車。無障礙行車試驗是當(dāng)重車分別以10、20、30、40 km/h的速度通過橋面時,測試主梁在最大彎矩截面底板應(yīng)變測點的動位移、動應(yīng)變、豎向與橫向等振動特性,以檢驗結(jié)構(gòu)在動載作用下的工作狀態(tài)。跳車試驗是當(dāng)重車分別以10、20、30 km/h的速度通過橋面上高度為7.5 cm的三角形板時,測試主梁在最大彎矩截面底板應(yīng)變測點的動應(yīng)變,以模擬在橋面鋪裝局部損傷的狀態(tài)下,橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)。跳車板置于中跨的L/2附近。

振動測點主要布置在各跨的跨中、L/4和支座頂部處的橋面,共計布置14個豎向、6個橫向以及6個縱向941B型拾振器。各種動力信號經(jīng)過放大器放大后,進(jìn)入INV306振動分析儀的數(shù)采裝置直接進(jìn)行采集并記錄。動應(yīng)變測試采用電阻應(yīng)變計,布置在中跨中底板中心處,采用半橋溫度補償技術(shù)。

3.5.2 結(jié)構(gòu)自振特性測試與分析

環(huán)境隨機振動(脈動)是一種準(zhǔn)確可信的模態(tài)識別測試方法,能夠得到結(jié)構(gòu)的真實動力特性,如頻率、振型等,試驗成本低且對橋面的正常交通不產(chǎn)生影響。由于很難獲取對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激勵的信號,且模態(tài)特性識別過程只與輸出數(shù)據(jù)有關(guān),因此,選用較為基本的peak picking method對結(jié)構(gòu)的環(huán)境隨機振動進(jìn)行測試。同時,利用大型通用軟件ANSYS10.0計算了呂嶺路跨線橋的前30階自振頻率和相應(yīng)的振型。橋梁結(jié)構(gòu)的主要振動頻率理論值與實測值見表3和圖17。

表3 結(jié)構(gòu)實測自振頻率與理論計算值比較 Hz

由表3可以看出,各階振型頻率對應(yīng)的實測值均大于理論計算值,且誤差較小,表明實橋結(jié)構(gòu)具有良好的剛度,施工質(zhì)量較高?，F(xiàn)場實測振型與理論計算振型基本一致,表明結(jié)構(gòu)的振動特性理論分析與結(jié)構(gòu)的實際振動特性較為吻合。此外,理論計算與實測結(jié)構(gòu)都表明,結(jié)構(gòu)的一階橫向振動頻率達(dá)到了一階豎向振動頻率的3倍左右,說明結(jié)構(gòu)具有較大的橫向剛度。

圖17 理論計算的結(jié)構(gòu)各主要振型

3.5.3 無障礙行車試驗結(jié)果與分析

無障礙行車試驗由2輛38 t的三軸重型車組成,每組2臺車同時行進(jìn),行車速度分別為10、20、30、40 km/h。試驗中采用Bushnell手持雷達(dá)測速儀對行車速度進(jìn)行準(zhǔn)確測量。試驗測得的不同車速下各跨跨中最大豎向、橫向位移曲線,如圖18、圖19所示?？梢婋S行車速度的增加,各跨跨中豎向振幅響應(yīng)有明顯增加趨勢,且不同行車速度下,各跨跨中的豎向振幅比橫向大很多,說明該橋橫向剛度較大；各測點的振幅值基本符合受力規(guī)律。

圖18 不同行車速度下各跨跨中豎向位移幅值

圖19 不同行車速度下各跨跨中橫向位移幅值

試驗測得本聯(lián)橋中跨跨中截面沖擊系數(shù)介于1.02～1.193,且隨行車速度的增加有增大的趨勢,最大值出現(xiàn)在30 km/h時,但當(dāng)車速超過30 km/h時,沖擊系數(shù)反而降低(圖20),表明無障礙行車對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用較小。另外,由實測的動應(yīng)變曲線(圖21)結(jié)果可知,其動應(yīng)力變化較為平滑,應(yīng)力過渡良好,主梁的應(yīng)變影響范圍較短,說明其受力行為和結(jié)構(gòu)形式是一致的。

圖20 無障礙行車各狀態(tài)下的沖擊系數(shù)

圖21 30 km/h無障礙行車時中跨中截面動應(yīng)變曲線

3.5.4 跳車試驗結(jié)果與分析

跳車作用下,測得中跨跨中截面沖擊系數(shù)介于1.362～1.752(圖22),較無障礙行車時增大,說明當(dāng)橋面不平順時,車輛對結(jié)構(gòu)的沖擊作用將增強。由圖23可知,跳車作用下,橋梁結(jié)構(gòu)動應(yīng)力變化亦較為平滑,應(yīng)力過渡仍然良好。

圖22 跳車試驗時各狀態(tài)下的沖擊系數(shù)

圖23 30 km/h跳車時中跨中截面動應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

廈門市BRT自2008年投入使用以來,極大地改善了廈門市的交通狀況,同時,其獨特的高架橋設(shè)計形式,也成為了廈門市一道獨特而美麗的城市景觀。此外，通過對廈門BRT高架橋中的典型橋梁——呂嶺路跨線橋的成橋靜動載試驗,可以得到以下幾點結(jié)論：

(1)通過靜載試驗分析可知,結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下處于彈性工作狀態(tài),剛度性能良好,受力狀況合理,滿足設(shè)計要求；

(2)試驗測得的結(jié)構(gòu)各階頻率均大于理論計算值,表明結(jié)構(gòu)具有較大的剛度,動力性能良好；

(3)無障礙行車和跳車試驗表明,結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力過渡良好,主梁的應(yīng)變影響范圍較短,且跳車對橋面的沖擊系數(shù)較無障礙行車時更為明顯。

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