劉宗峰

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

七星山位于張家界市天門山附近，山勢雄偉壯觀，壁立千仞，風(fēng)景奇特，景點眾多。山頂較平坦，面積寬廣，旅游開發(fā)價值巨大。在旅游高峰期，景區(qū)與景區(qū)、景區(qū)與城市間客流集散點之間的交通擁堵問題和客運服務(wù)供需矛盾問題日顯突出[1]。七星山風(fēng)景優(yōu)美，客流量大，但地形險峻，亟待解決交通問題。

根據(jù)旅游區(qū)交通狀況，將纜車，公路及軌道交通運量列表進行比較。由表1可知，軌道交通運能遠大于纜車及公路交通運量。并且軌道交通平穩(wěn)性強，適宜人群廣，安全性能高，受天氣影響小，在這3種交通工具中具有明顯優(yōu)勢。

表1 3種交通方式交通運量比較

完成單位運輸周轉(zhuǎn)量所占用地，公路是軌道交通的10倍；消費的能源，公路是軌道交通的20倍[2]，軌道交通是一種綠色的交通系統(tǒng)。旅游軌道交通具有運量大、能耗低、環(huán)境污染小、安全系數(shù)高等優(yōu)勢，根據(jù)七星山的地形特點，景區(qū)交通擬采用旅游軌道交通的方式。

2 地形地貌

七星山旅游軌道線路行走于武陵山脈的構(gòu)造侵蝕溶蝕中低山區(qū)；地形起伏較大，地面高程在350～1 186 m，相對高差為20～840 m(圖1)。山上植被茂密，多以喬木為主，山坡上陡崖密布，交通不便。項目所在地屬中亞熱帶濕潤型氣候，氣候溫和，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫17.7 ℃，最冷月(一月)平均5.5 ℃，最熱月(七月)平均28.6 ℃，年平均降水量1 334.2 mm。

圖1 七星山遠瞰

不良地質(zhì)主要有巖溶、危巖、落石、崩塌、巖堆等。地震動峰值加速度分區(qū)為0.05g(相當(dāng)于地震基本烈度6度)，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

3 七星山旅游軌道橋梁工程設(shè)置情況

七星山旅游軌道大致分為兩段，爬山段及山頂緩坡段。爬山段適應(yīng)地形的最大坡度在200‰～300‰，受線路大縱坡控制，車輛擬采用齒軌系統(tǒng)制式(圖2)，列車齒輪通過與齒軌的嚙合提供前進動力，擬采用Strub系統(tǒng)；山頂平緩坡段，地勢較平坦，主要是丘陵區(qū)，擬設(shè)置懸掛式空軌交通制式(圖3)。

圖2 齒軌軌道

圖3 懸掛式空軌

爬坡段齒軌鐵路部分，橋梁占線路總長的26%，具體橋梁長度占比參數(shù)見表2。從表2數(shù)據(jù)可知，旅游軌道橋梁高度、坡度、曲線半徑等邊界條件導(dǎo)致橋梁設(shè)置難度遠大于常規(guī)鐵路橋梁。

表2 橋梁分布情況

為適應(yīng)旅游軌道交通以工程提升景區(qū)景點內(nèi)容的目的，本線設(shè)置了軌道展線橋梁，垂直崖壁間上承式勁性骨架拱橋，瀑布前懸索橋以及山頂緩坡段玻璃箱體懸掛式空軌等橋梁相關(guān)工程。

本線施工困難，鋼橋便于組裝施工，減小施工難度，但考慮后期鋼結(jié)構(gòu)橋梁運營養(yǎng)護難度大，最終本線采用鋼筋混凝土橋梁。

4 旅游軌道中橋梁工程設(shè)計的難點

旅游軌道交通在功能定位、系統(tǒng)制式、規(guī)劃選線等方面均有所不同[3]。雖然我國的軌道交通積累了先進的技術(shù)，但旅游區(qū)工程受控條件較多，為吸引游客，旅游軌道常走行于較險峻地區(qū)，工程設(shè)置難度遠大于常規(guī)交通。在旅游軌道交通中橋梁設(shè)計主要有以下幾處需要進一步研究。

4.1 各種不同軌道制式橋梁的研究

旅游軌道交通受景點地形特點限制，以往常用的輪軌制式難以滿足要求，需要根據(jù)地形適應(yīng)性特點，采用齒軌、纜索鐵路，懸掛式空軌、跨座式單軌等鐵路。旅游軌道交通是多種制式軌道交通的組合，各種制式參數(shù)千差萬別，部分制式基本參數(shù)如表3所示。

前進四路那一帶是老房子，過年時大火燒著了一棟倉庫，連帶燒了好幾家民房，春節(jié)后市政府下令整改，幾個開發(fā)商看中了這塊地，幾番角逐后，把集賢巷和湯圓館那片都圈了進去。刁先生鼓動得一巷子居民興高采烈、沾沾自喜，以為咸魚翻身的大好機會來了。

表3 不同制式軌道交通基本參數(shù)

不同軌道交通制式的列車限界、荷載、通訊、電力布設(shè)方式區(qū)別大。橋梁是高空結(jié)構(gòu)，橋面結(jié)構(gòu)空間小，受控條件多，不同制式中細微的區(qū)別就可能會引起橋梁構(gòu)造的顛覆性變化。大坡度地區(qū)適合用齒軌、纜索鐵路，在中等坡度地區(qū)適合用懸掛式空軌、中低速磁懸浮、跨座式單軌，輪軌系統(tǒng)僅適合在小坡度地區(qū)使用。在具體橋梁設(shè)計中需對不同制式專項研究，區(qū)別對待，建造出經(jīng)濟、實用、美觀的旅游軌道橋梁。根據(jù)七星山的景區(qū)特點，山下采用輪軌，爬山段采用齒軌，山頂采用懸掛式空軌的交通制式。

4.2 大縱坡及小半徑問題

4.2.1 大縱坡問題

地形險峻的山區(qū)旅游軌道交通中，坡降比較大，常采用齒軌鐵路、纜索鐵路。齒軌鐵路是一種登山鐵路，與普通機車相比多了一個和多個齒輪[4]，是靠齒輪間嚙合力傳動。纜索鐵路是一種介乎索道及鐵路之間的軌道交通系統(tǒng)[5]。常規(guī)輪軌系統(tǒng)受黏著力限制，坡度最大不超過3%，目前運營齒軌鐵路最大坡度48%，是常規(guī)鐵路最大坡度的16倍。

目前國內(nèi)外齒軌鐵路在路基及隧道工程中有應(yīng)用實例，橋梁上無大規(guī)模設(shè)置齒軌鐵路的先例。在這種極端縱坡條件下，常規(guī)簡支梁端部與支座連接處，無論構(gòu)造還是受力計算都難以滿足要求。常規(guī)簡支梁力學(xué)模型計算認(rèn)為大縱坡下，恒載和活載對橋墩會產(chǎn)生縱向力。為此，繪制簡支梁及活載作用后的分析圖(圖4)。

圖4 大縱坡橋梁活載受力分析圖式

為了簡化外力傳遞，在簡支梁端部做梯形牛腿，將復(fù)雜的外力轉(zhuǎn)換為梁端內(nèi)力，梁端鋼筋多，截面積大，受力性能好，梁端改造后，有效簡化了外力關(guān)系。

圖4中F1為支反力，F(xiàn)2為沿梁面作用力，當(dāng)列車靜止或勻速運動時

F1=G·cosθF2=G·sinθ

水平分力

F3=G×cosθ·sinθF4=-G·cosθ·sinθ

由圖4和計算公式可知，當(dāng)活載處于平衡狀態(tài)時，橫向水平分力抵消。最終墩頂僅受豎向力。

經(jīng)計算分析，當(dāng)列車處于啟動或者制動非平衡狀態(tài)時，受活載重力沿橋面方向分力G·sinθ影響，下坡端水平推力遠大于上坡端水平推力。橋墩承壓能力強，水平抗推能力差。將橋墩下坡端進行單面放坡n∶1，而上坡端做成直坡，基礎(chǔ)相對墩身往下坡端方向設(shè)縱向預(yù)偏心s，這種構(gòu)造增加橋墩下坡端方向抵抗力矩明顯，能有效節(jié)約橋墩及基礎(chǔ)工程量。

縱向力對橋墩支座影響大，在這種極端坡度下，牽引、制動力超過活載重力的30%，常規(guī)鐵路僅考慮15%，展開大縱坡上橋梁支座的專題研究，將梁底改為雙制動支座，可有效分散單個固定支座的水平受力。施工過程中根據(jù)測量數(shù)據(jù)以及支座的受力情況進行分析[6]，減小縱向力、溫度力的影響。

從橋式上考慮多采用連續(xù)剛構(gòu)，利用橋墩聯(lián)動受力，來提供縱向平衡力。另外旅游軌道交通選線豎曲線半徑較小，需對變坡點處豎曲線準(zhǔn)確位置及高程進行計算，列出計算成果表[7]，準(zhǔn)確矯正橋梁高程。

4.2.2 小半徑問題

較小的曲線半徑，能夠更好地適應(yīng)地形，地質(zhì)等外部條件約束[8]。旅游軌道線路受控因素多，速度較低，常采用極小半徑。如本線26%的橋梁位于R<150 m曲線上，橋上最小半徑曲線達到100 m。

當(dāng)采用小半徑曲線梁體時，梁體受橫向偏心E值影響，會發(fā)生橫向失穩(wěn)，另外受縱向預(yù)應(yīng)力影響，會產(chǎn)生徑向力，發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

由圖5可知，曲線梁中心橫向偏心值E=R(1-cos(l/4πR))，本線最小半徑R=100 m，采用常規(guī)跨度l=30 m時，偏心E值達到1.13 m。

圖6中曲線箱梁的縱向預(yù)應(yīng)力為N，qn為箱梁縱向預(yù)應(yīng)力的徑向分力。由弗拉索夫方程計算可知qn=N/R。

圖5 曲線梁橫向偏心示意

圖6 曲線梁徑向力示意

圖7中，qy上、qy下分別為預(yù)應(yīng)力束位于梁截面剪切中心以上、以下的徑向效應(yīng)，e上、e下分別為預(yù)應(yīng)力束相對于剪切面中心向上、向下的偏心。由圖7可知，當(dāng)My下>My上時，梁體內(nèi)側(cè)向上扭轉(zhuǎn)，反之，梁體內(nèi)側(cè)向下扭轉(zhuǎn)。

圖7 箱梁鋼束徑向分力豎向扭轉(zhuǎn)受力關(guān)系示意

曲線梁除扭轉(zhuǎn)外，伴隨翹曲及畸變，存在“彎、剪、扭耦合”效應(yīng)[9]。大縱坡條件下，豎曲線影響增加，平、縱曲線的復(fù)合作用顯著，空間曲線梁非線性耦合計算更加復(fù)雜。

以上為曲線梁自身的受力不利因素，再加上活載，撓曲度，離心力，溫度力、地震力等外界條件后，梁體的彎扭耦合作用、剪力滯效應(yīng)、梁體橫向爬移，內(nèi)外側(cè)受力不均及點鉸支座偏心的計算、下部結(jié)構(gòu)橫向力分析等使得空間曲線梁的受力設(shè)計遠比常規(guī)曲線梁復(fù)雜。

曲線梁計算常用的理論有梁格系分析法、正交異形板理論、多角形曲線橋理論、能量法等，但都有一定局限性?，F(xiàn)在常采用有限元法，用Midas軟件建立三維模型(圖8)，用ASCB軟件建立平面模型進行計算。

圖8 小半徑曲線梁有限元模型

研究表明，圓心角>30O的曲線梁非線性效益明顯。當(dāng)曲線一定時，盡量減小跨度，減小圓心角可有效減弱曲線橋的非線性影響。

當(dāng)曲線半徑和跨度一定的條件下常采用的措施主要有加寬端橫梁橫向外側(cè)，加大抗扭支座間距，箱梁截面尺寸適當(dāng)加大，將附屬管線等放在梁體的內(nèi)弧側(cè)，跨中設(shè)置橫隔板[10]，采用三向預(yù)應(yīng)力體系，增加腹板厚度，加強腹板箍筋等，以使得梁體滿足受力條件，達到使用要求。

大縱坡大縱向力與小半徑離心力的疊加，以及空間曲線梁體耦合作用，使得旅游軌道橋梁計算遠比常規(guī)橋梁復(fù)雜，設(shè)計中應(yīng)合理分析邊界條件并進行詳細研究。

4.3 橋梁的景觀概念設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)形式多種多樣，可改造性強，利用不同橋式的外觀造型豐富景點內(nèi)容，并可對既有的橋梁形式進行創(chuàng)新，局部調(diào)整改造。進行橋梁景觀概念性設(shè)計，建造出形態(tài)獨特的景觀性橋梁，以達到 “新、奇、特、險”的要求，可增強對游客的吸引力，有效增加景區(qū)收益。

橋梁的景觀要體現(xiàn)該地區(qū)的自然景觀， 人文景觀和歷史文化景觀， 并使之相融合， 這是橋梁景觀設(shè)計的核心[11]。如青藏鐵路的拉薩河特大橋拱橋，主橋的系桿拱宛如潔白的哈達，飄舞在青山碧水間[12]，將橋梁景觀與人文及歷史文化結(jié)合后，拉薩河拱橋設(shè)計受到高度贊譽。

我國對于橋梁景觀概念的設(shè)計和研究已經(jīng)有了足夠重視， 但是與先進國家比較我國橋梁景觀設(shè)計依舊在初級階段，這主要歸結(jié)于橋梁景觀美學(xué)在我國橋梁歷史上很少作為一門綜合學(xué)科來發(fā)展和研究[13]，橋梁設(shè)計師應(yīng)在提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，提高美學(xué)素養(yǎng)。特大型橋梁的出現(xiàn)表明我國橋梁建設(shè)已進入成熟階段，當(dāng)前主要任務(wù)是提高橋梁景觀概念設(shè)計及研究水平。

4.4 橋面防落石體系

本線危巖、落石、巖堆、崩塌等廣泛分布，為吸引游客，旅游軌道常走行于極其險峻地形。陡峭險峻地區(qū)，危巖落石發(fā)生幾率大幅增加。由表2可知，43%的橋梁高度大于35 m，在這種高橋位置，防落石結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)難以設(shè)置，對危巖落石的防護結(jié)構(gòu)需要進一步研究。

運用數(shù)值模擬軟件對邊坡落石運動進行計算分析，獲取落石運動軌跡、速度、能量以及彈跳高度[14]。確定需要防護的范圍及等級，將橋梁與防護結(jié)構(gòu)統(tǒng)一考慮，進行橋梁與防護結(jié)構(gòu)一體化研究。

橋梁與防護棚洞一體化構(gòu)造中，目前使用較多的就是柔性防護棚洞(圖9、圖10)，柔性防護棚洞是在梁底與翼緣板間加斜撐，縱向間距約1.5 m設(shè)1道支撐。上面柔性棚洞骨架與翼緣板斜撐位置連接。結(jié)構(gòu)主要組成部件：型鋼鋼拱架+鋼管橫支撐+鋼管斜支撐+環(huán)形網(wǎng)+攔截鋼絲繩+耗能器+雙層雙絞六邊形格柵網(wǎng)+U形螺栓。

圖9 柔性防護棚架橫斷面

圖10 柔性防護棚架縱斷面

落石防護棚洞主要荷載就是落石的沖擊力[16]。對沖擊力的計算有經(jīng)典的Hertz接觸力學(xué)理論和Thornton彈塑性碰撞理論[17]，落石沖擊過程是一種脈沖式的碰撞行為[18]。

國外對沖擊力的計算?；诂F(xiàn)場沖擊力實驗的半經(jīng)驗半理論算法，如日本道路公團， Labiouse等的推薦算法[15]。分析落石撞擊速度、沖擊能量、緩沖層厚度對防護棚洞動力過程等非線性響應(yīng)多采用LS-DYNA、 ABAQUS等有限元動力仿真軟件。

利用LS-DYNA軟件對柔性防護棚洞結(jié)構(gòu)進行模擬分析計算(圖11、圖12)。

圖11 落石沖擊整體模型

圖12 落石沖擊局部模型

結(jié)果表明，該柔性棚洞能夠?qū)Τ跏紕幽転?00 kJ的落石有效攔截，沒有發(fā)生穿透環(huán)形網(wǎng)、支撐繩和環(huán)形網(wǎng)破斷現(xiàn)象。

從落石的沖量公式：Mv=ft可知，環(huán)形網(wǎng)及耗能器可延長作用時間t，從而有效降低沖擊力f。除在柔性防護網(wǎng)上設(shè)置延時裝置外，在支座處設(shè)支座減震器，支座減震器利用自身的塑性變形吸收落石沖擊能量。

當(dāng)落石產(chǎn)生時，通過主被動網(wǎng)攔截后，漏出的石頭尺寸小于網(wǎng)格間距，對這種“漏網(wǎng)之石”進行測算，其能量一般不超過30 kJ。在梁體上加設(shè)擋護結(jié)構(gòu)，可考慮防護標(biāo)準(zhǔn)不大于30 kJ。將防護多層化處理，可有效降低防護難度及減小防護結(jié)構(gòu)尺寸。在高橋段落宜采用橋梁落石防護一體化結(jié)構(gòu)，并且防護結(jié)構(gòu)需根據(jù)實際需要確定，不宜尺寸過大。

4.5 橋梁工程現(xiàn)場裝配式施工研究

旅游軌道交通位于景區(qū)，土建工程規(guī)模過大，勢必會影響景區(qū)環(huán)境。研究結(jié)構(gòu)輕盈的橋跨結(jié)構(gòu)，進行尺寸標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，進行廠家預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場裝配式施工，可有效減少環(huán)境影響。

全預(yù)制橋梁，是一種將橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件工廠集中預(yù)制，現(xiàn)場拼裝的橋梁[19]。其核心問題就是結(jié)構(gòu)尺寸的確定。

這些結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)準(zhǔn)化工作難度較大，以懸掛式空軌為例，懸掛式空軌結(jié)構(gòu)輕盈，構(gòu)造尺寸小，在軌道梁采用高1 100 mm×寬780 mm同一尺寸的條件下，鋼板厚度選取就各不相同(表4)。

表4 軌道梁鋼板厚度

根據(jù)工程實際需要，計算出最合理尺寸，進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，廠家預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場進行裝配式施工。橋梁裝配式施工具有施工方便、工程進度快、對周圍環(huán)境影響小且建筑構(gòu)件的質(zhì)量容易得到保證等優(yōu)點[21]。

5 結(jié)語

旅游軌道交通在景區(qū)交通中有明顯優(yōu)勢，分析新的工程背景下軌道橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，開展專題研究，克服困難，建造出滿足要求的各式橋梁，以促進我國軌道交通產(chǎn)業(yè)以及旅游產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。