厦门市BRT高架桥梁总体设计与静动载试验研究doc.docx
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厦门市BRT高架桥梁总体设计与静动载试验研究doc
桥梁?
厦门市BRT高架桥梁总体设计与静动载试验研究
秦红禧,何旭辉,欧阳永金
（1.中南大学土木建筑学院,长沙410075;2.厦门市市政建设开发总公司,福建厦门361004）
摘要:
介绍厦门市BRT1号线高架桥梁的整体设计,对其设
计荷载,结构体系选择,桥跨和桥梁横断面布置,以及附属设施
等进行了详细介绍,并论述其在设计过程中所体现的桥梁美学
思路.此外,以厦门BRT1号线高架桥中的典型桥梁——吕岭
路跨线桥为研究对象,测试并分析该桥的自振特性,静载作用
下的梁体挠度和应力,以及行车激振作用下的冲击作用.试验
结果表明:
结构在使用荷栽下处于弹性工作阶段,具有良好的
强度与刚度,满足设计要求.
关键词:
BRT;高架桥;总体设计;静动载试验;冲击系数
中图分类号:
U442.5文献标识码:
A
文章编号:
1004—2954（2011）02—0059—06
1概述
BRT（BusRapidTransit）是源自巴西的一种新型
的大容量的公共交通措施,是当前国际上积极倡导推
广的一种以人为本的公共交通模式.因具有低成本,
收稿日期:
2010—08—03;修回日期:
2010—11—06
作者简介:
秦红禧（1983一）,男,中南大学土木建筑学院在读研究生.
低污染,高效率及乘车舒适的特点,近年来在世界各地
特别是亚洲各大城市,得到了较大范围的推广和应用.
由于其投资及运营成本远远低于轨道交通,运营和使
用效果又接近轨道交通,因此被称为"使用公交车的
地面铁路".厦门BRT1号线于2008年9月正式投人
使用,是我国首个高架桥模式的快速公交系统.
厦门市BRT1号线,起自第一码头,终至厦门新
站,线路全长32.96km,其中高架线路22.9km,地面
线路7.96km,地下线路2.1km桥段.全程共设车站
22座,其中高架车站16座,高架车场1个,地面车站
4座,地下车站1座,如图1所示.值得一提的是,1号
线中总长度为15.364km的岛内区间段,全部采用高
架桥形式,高架车道与高架车站仅占用道路中央4ITI
绿化带,大大减少了对地面空间的占用,如图2所示.
此外,从城市的长期发展考虑,BRT1号线线位与
轨道交通1号线的线位重合,近期为BRT大容量公交
系统,远期升级为轻轨,这种设计在我国亦尚属首例.
有限元计算,可以得出以下结论.
（1）活载在混凝土和钢结构中产生的主拉应力约
占恒载产生的应力的1.53%～3.59%,主拉应力约占
3.51%～8.69%,说明大跨度刚架系杆拱桥中,材料的
能力主要用于克服恒载作用,活载效应并不明显.
（2）钢一混凝土连接段嵌入混凝土中的钢板应力
随着嵌入深度的增加,应力急剧减小,说明剪力键发挥
了作用,可以将钢拱肋的应力有效地传递给拱脚混凝
土.因此施工中要保证剪力键施工质量,以保证钢板
与混凝土共同受力.
（3）钢一混凝土连接段的钢结构以受压为主,除应
力集中点外,绝大部分区域压应力均在容许应力范围
内.钢结构应力集中区域位于钢拱肋与混凝土接触面
的下角点,区域很小,应力集中点最大压应力为
一
253MPa（恒+活工况）.
（4）钢一混凝土连接段处混凝土最大拉应力为
1.56MPa（恒+活工况）,最大压应力为一12.9MPa（恒+
活工况）,均满足规范要求.
（5）系杆锚固区域的混凝土除去应力集中点外,
绝大部分区域主拉,主压应力满足容许应力要求.最
大主拉应力为4.33MPa（恒+活工况）,最大主压应力
铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2011
（2）
为一29.5MPa（恒+活工况）,均属于个别点的应力集中
现象,应力幅值下降很快.因此实际结构中,需要在锚
固区布设钢筋网以分散应力,且施工质量需加强.
参考文献:
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59
桥梁?
秦红禧,何旭辉,欧阳永金一厦门市BRT高架桥梁总体设计与静动载试验研究
图1厦f-1BRT1号线线路规划
图2厦门BRT1号线高架桥立面布置
2高架桥梁总体设计
2.1设计荷载
厦门市BRT主体结构设计使用年限为100年,钢
结构防腐为3O年.对于BRT这种大容量公交系统的
车辆选取以及轻轨活载的选取,目前规范中尚无相应
的规定,设计时应根据实际情况进行选取.厦门市
BRT桥梁结构分别按BRT车辆活载及直线电机B型
车活载进行双重检算,其计算活载如下.
（1）BRT车辆荷载:
BRT车辆重295kN,按三轴布
置,P=100kN.荷载图式见图3.
I
———————————————r_
I336I_612I.5801270I
P|2Pi2
II
图3BRT车辆荷载图示（单位:
cm）
（2）直线电机B型车辆载荷:
每列车按4辆编组,
P=130kN.荷载图式见图4.
PPPPPPPPPPPPPPPPP/2P/2
60
Il
地珥
图4直线电机B型车辆荷载图示（单位:
cm）
（3）人群荷载:
4.0kPa.
（4）地震烈度:
地震动峰值加速度0.1g,相当于
7度地震区.
（5）风荷载:
按"全国基本风压图"考虑.
2.2桥梁结构体系的选择
国内目前建成的城市高架桥和轨道交通高架线路
比较多,简支体系和连续体系在高架桥梁中均有运用.
针对本项目而言,若简支结构体系过多,伸缩缝会使乘
客的舒适性大大降低,违背了"以人为本"的设计理
念;同时车轮撞击梁端伸缩缝产生的噪声也对城市环
保构成影响.因此,本项目采用较短联长的连续梁作
为标准联,一般联长控制在100～120m.
2.3桥跨布置与横断面布置
厦门市BRT高架桥梁在进行桥跨布置设计时,充
分考虑道路的规划横断面和地面交通组织,在满足行
车条件下进行桥梁布跨,根据景观和施工的要求,孔跨
布置力求标准化,不宜采用大跨,以免破坏桥梁建筑空
间上的连续性,增大体量.尽量不采用或少采用门式
墩,通过地面交通组织的改造和桥梁结构形式的调整,
将门式墩对空间的分隔感降到最低.并充分考虑桥梁
跨度布置与工程实施时的各项影响因素,保证桥梁施
工在合理划分的标段范围内具有统一的工法.经综合
比较,厦门市BRT高架桥采用30m跨度作为一般地
段高架结构的标准跨径,考虑到线路存在曲线半径较
小的情况以及受地形等各种因素所限,选择25m的跨
径作为调整跨.
此外,根据轨道交通规划以及BRT车辆的限界要
求,桥梁横断面布置设计为:
10m=0.5m（防撞护栏）+o.5m（路缘带）+
3.75m（BRT车道）+0.5m（双黄线）+3.75m（BRT车
道）+0.5m（路缘带）+0.5m（防撞护栏）,如图5所示.
10
05IO.53.75O.53.7505l0.5
萋—,\\一—]厂'
图5桥梁横断面布置示惹（单位:
m）
2.4桥梁横断面设计
结合工程实际情况,为使桥梁与周边环境协调统
一
增加城市景观,厦门市BRT高架桥梁采用大斜度
斜腹板式箱形截面,包括预应力混凝土箱梁截面和钢
箱梁截面2种,其中前者为单箱单室,后者为单箱双
室.桥梁采用标准化设计,主梁顶面宽度均为10m,
铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2011
（2）
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并在每端留10cm与防撞墙现浇;底部宽度为4.45m,
箱梁翼缘板挑臂长度为2.0m.翼缘板端部厚18cm,
与腹板交接处加厚到45cm;顶板厚28cm,底板厚度
为25cm,腹板厚度40cm.斜腹板的斜度为2:
1,腹
板与翼缘板,底板的外轮廓交接均以圆弧过渡,与翼缘
板的交接半径为1.5rn;与底板的交接半径为15cm.
箱梁在梁高中点位置沿纵向每隔3m设置一个直径
8cm的通风孔,左右对称设置.箱梁标准截面如图
6所示
2o067.544567.5200
1/2梁端截面1/2跨中截面
图6箱梁标准横截面示意（单位:
cm）
2.5下部结构设计
厦门市BRT1号线岛内段高架桥梁绝大部分区
段处于地面道路中央分隔带中,墩高较高,约5.8～
16.0m,墩身平均高度在9.0m左右.为方便施工,桥
墩的设计也尽量保持一致.标准跨径的桥墩均采用Y
形板式墩设计（图7）,截面尺寸为1.6mx2.4m（纵桥
向×横桥向）;对于跨越既有道路的特殊路段,为减小
跨径,则采用双柱式墩设计,如图8所示.在满足结构
受力及结构安全的前提下,厦门BRT高架桥桥墩的设
计综合考虑了经济,施工等因素,并着重考虑了其美学
效果,如在桥墩正面外侧设计10cm深的装饰槽,并使
墩身到墩顶截面横桥向尺寸的过渡与箱梁斜腹板的斜
率一致,从而使桥墩与梁协调统一,达到良好的景观
效果.
II『lII
l
I
l
I
:
III
图7Y形板式桥墩一般构造
二=ⅡⅡ==
_J-J
图8双柱式桥墩一般构造
铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN201j
（2）
桥梁?
2.6附属设施设计
考虑到与普通公交车相比,BRT车体较大,行车
速度也较快（一般地段60km/h,困难地段限速40
km/h）,因此桥梁防撞护栏在采用F形混凝土防撞护
栏sB安全等级基础上改良,提高护栏的强度和有效
高度,保证BRT车辆的行车安全.防撞护栏用外挂花
篮式（图9）,花槽每隔2m设置一道与防撞护栏衔接
的加劲肋,并采用智能滴灌系统进行花草浇灌,当花槽
内部积水时,则可通过护栏内部的排水管引至桥面,并
最终汇入桥面隐式排水系统.外挂花篮式防撞护栏实
景如图10所示.
图9外挂花篮式防撞护栏一般构造
图10外挂花篮式防撞护栏实景
护栏顶部设置声屏障及灯带钢管,箱梁翼缘板端
下挂设吸顶灯,用于桥下地面道路的夜问照明,可充分
利用空间资源,并使地面交通设计简约,美观.同时,
基于近期为BRT,远期升级为轨道交通的实际需求,
为满足近,远期的站间通信及景观照明等,在指定位置
预埋接线盒.
2.7高架车站设计
厦门BRT1号线共设置16个高架车站,城区内站
间距为600m,郊区站间距为1000m.高架车站为三
层建筑物,底层由既有路面交通及常规公交站点组成,
便于中转;中间层充当检票系统和站厅,长30m,宽
16m,并与跨线天桥配合使用;顶层为侧式站台,长
54m（预留75m升级为轻轨站台）,宽3m,如图11
所示.
高架车站均安装电梯,乘客乘电梯到二楼买票,进
站,然后到三楼乘车,如图12所示.高架车站内还设
有小型便利店,报刊亭等商业设施,以便给乘客提供更
61
桥梁?
秦红禧,何旭辉,欧阳永金一厦门市BRT高架桥梁总体设计与静动载试验研究
图11BRT高架车站外观实景
图12BRT高架车站空间结构透视
好的服务.
高架车站建筑整体设计精致,美观,并具有合理的
经济性.此外,厦门BRT还率先在全国采用自动售检
票系统.
3静动载试验研究
为正确评估厦门BRT1号线高架桥梁的静动力
特性,合理预测运营阶段桥梁结构的整体力学行为,厦
门BRT1号线高架桥在通车之前进行了成桥荷载试
验.本文以其中较为典型的第106联——吕岭路跨线
桥为研究对象,对其静动力学特性进行实桥测试与分
析,并将其自振特性和静载试验结果与理论计算值相
比较,考察桥梁的自振特性,静力特性及车速对其动力
特性的影响,了解桥跨结构的实际工作状态,判断实际
承载能力,为BRT高架桥的工程应用提供理论依据,
并可为其在运营阶段的监测,尤其是老化阶段的检测
与评定提供基准数据信息.
3.1桥梁概况
吕岭路跨线桥为3跨预应力混凝土变截面连续箱
梁桥,跨径布置为（35+55+35）m,中支点梁高3.2m,
边支点和中跨跨中梁高1.8In,梁底按半径R=
232.932m的圆曲线变化,采用单箱单室斜腹板截面.
箱梁顶宽9.8In（两侧各留10am与防撞护栏现浇）,
底宽3.05m;箱梁翼缘板挑臂长2.0m;顶板厚28am,
底板厚由跨中的25cm变化至中支点处的50am,腹板
厚度40cm,在中支点两侧各10.5m范围内腹板加厚
为60am,在边支点附近8.5m范围内因腹板预应力束
布置的需要加厚至60cm.腹板与翼缘板,底板的外
轮廓交接均以圆弧过渡,与翼缘板的交接半径为
1.5in,与底板的交接半径为15am.全桥采用C50混
凝土,所用混凝土约900In.
3.2有限元计算模型
为准确分析结构特性和确定最不利轮位布载,采
用大型有限元程序ANSYS10.0建立有限元计算模型,
如图13所示.采用Solid45单元建立桥梁的空间模
型,建模过程中采用人工控制节点的方式,在加载位置
和测点附近单元划分较细,其他部分单元划分较粗,从
而在降低运算规模的同时,保证计算结果足够的可靠
性.有限元模型按照设计要求模拟边界条件,未建立
桥墩结构,但在桥梁支座位置处按支座的实际尺寸建
立节点和单元,以考虑实际结构中支座尺寸和位置对
结构的影响.
图13吕岭路跨线桥空间有限元模型
3.3静力分析与静载试验
由于BRT设计荷载分别按BRT车辆活载及直线
电机B型车活载双重检算,因此静载试验取最大值作
为控制荷载进行试验.静载试验加载方案包括试验加
载位置与加载工况的确定,根据设计控制荷载在主梁
上产生的最不利弯矩效应值按效率系数.等效换算
得到.为保证试验效果,静力试验荷载采用载重汽车
进行等效加载,其相应加载车辆的数量及位置应使该
检验项目的荷载效率系数满足:
0.80≤"r/.≤1.05.利
用midas/Civil软件具有的"移动荷载追踪器"功能,分
别计算BRT车辆活载及直线电机B型车活载作用下
的活载效应,根据理论计算的各控制截面的内力影响
线,桥跨情况和实际加载汽车轴重,确定本桥的试验加
载工况.
3.4静载试验分析
静载试验的目的是检验桥梁结构在车辆荷载作用
下的变形及主要受力构件的应力状态,测试内容包括
梁体控制截面应力和梁体竖向静挠度,此外,还进行了
裂缝观测.实际静载试验中,采用质量为38t的三轴
载重汽车6辆,一共进行了6种荷载试验工况,分别为
中跨中对称加载（图l4）,中跨中偏载,边跨中对称加
载,边跨中偏载,墩顶负弯矩工况a和墩顶负弯矩工况
b.正式进行加载前,应先对结构进行预加载,以消除
非弹性变形的影响.各工况均加载2次,每次加载时
问应足够长,以保证结构完全变形.卸载之后,应等桥
梁结构回复到初始状态后再进行其他工况的加载.篇
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秦红禧,何旭辉,欧阳永金一厦门市BRT高架桥梁总体设计与静动载试验研究
幅所限,现仅给出中跨中对称加载工况下,结构的位移
和应变响应.如图14～图16所示,中跨中对称加载
工况下,共计在中跨中截面底部布置3枚SM一5A型
振弦式应变计,测得的数据可以反映结构跨中部位的
局部应力分布情况.挠度测试主要采用高精密水准仪
进行,测试时,选取不受荷载影响的稳定的后视点.
园国国
画回国
图14加载车辆布置示意
图15测点布置示意
图16静载试验部分现场照片
中跨中对称加载工况下,跨中挠度实测值和理论
计算结果如表1,表2所示.
表1截面应力实测值与理论值比较MPa
注:
弹性模量取规范（JTGD62--2004）值:
E=3.45×10MPa
表2梁体竖向静挠度实测值与理论值比较iTlm
注:
（1）表中结果扣除支座沉降:
（2）残余变形均为o.
由表1,表2可知,在中跨中对称荷载作用下,最
大实测梁体静挠度为10.9mm,小于相应位置的理论
挠度值l2.5mm,变形校验系数在0.815～0.872,理论
与实测符合良好,表明结构具有良好的刚度,且具有一
定的安全储备;实测本联中跨跨中梁底最大拉应力为
2.59MPa,应力校验系数介于0.632～0.704,实测应
变回零状况良好,说明主梁结构具有足够的强度.变
形校验系数处于试验方法建议的合理范围内,应力校
铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2011
（2）
桥粱?
验系数较建议值略小.整个试验过程中,未发现任何
肉眼能见的载荷裂纹,结构受力符合一般力学规律,残
余变形,残余应变基本为零,主梁处于弹性工作状态.
3.5模态分析与动载试验分析
3.5.1动载试验介绍
桥梁结构的动力荷载试验是研究桥梁结构的自振
特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性.这
些测试结果数据是判断桥梁结构运营状况和承载特性
的重要指标.
本桥动载试验包括环境随机振动（脉动）,无障碍
行车,跳车以及刹车.无障碍行车试验是当重车分别
以10,20,30,40km/h的速度通过桥面时,测试主梁在
最大弯矩截面底板应变测点的动位移,动应变,竖向与
横向等振动特性,以检验结构在动载作用下的工作状
态.跳车试验是当重车分别以10,20,30km/h的速度
通过桥面上高度为7.5am的三角形板时,测试主梁在
最大弯矩截面底板应变测点的动应变,以模拟在桥面
铺装局部损伤的状态下,桥跨结构在运行车辆荷载作
用下的动力响应.跳车板置于中跨的L/2附近.
振动测点主要布置在各跨的跨中,L/4和支座顶
部处的桥面,共计布置14个竖向,6个横向以及6个
纵向941B型拾振器.各种动力信号经过放大器放大
后,进入INV306振动分析仪的数采装置直接进行采
集并记录.动应变测试采用电阻应变计,布置在中跨
中底板中心处,采用半桥温度补偿技术.
3.5.2结构自振特性测试与分析
环境随机振动（脉动）是一种准确可信的模态识
别测试方法,能够得到结构的真实动力特性,如频率,
振型等,试验成本低且对桥面的正常交通不产生影响.
由于很难获取对结构产生激励的信号,且模态特性识
别过程只与输出数据有关,因此,选用较为基本的
peakpickingmethod对结构的环境随机振动进行测试.
同时,利用大型通用软件ANSYS10.0计算了吕岭路跨
线桥的前30阶自振频率和相应的振型.桥梁结构的
主要振动频率理论值与实测值见表3和图17.
表3结构实测自振频率与理论计算值比较Hz
由表3可以看出,各阶振型频率对应的实测值均
大于理论计算值,且误差较小,表明实桥结构具有良好
的刚度,施工质量较高.现场实测振型与理论计算振
型基本一致,表明结构的振动特性理论分析与结构的
实际振动特性较为吻合.此外,理论计算与实测结构
63
桥梁?
秦红禧,何旭辉,欧阳永金一厦门市BRT高架桥梁总体设计与静动载试验研究
都表明,结构的一阶横向振动频率达到了一阶竖向振
动频率的3倍左右,说明结构具有较大的横向刚度.
（a）一阶竖向振型（2.18Hz）（b）二阶竖向振型（卢4.87Hz）
（c）一阶横向振型（户8.52Hz）（d）一阶纵向振型（10.03rtz）
图17理论计算的结构各主要振型
3.5.3无障碍行车试验结果与分析
无障碍行车试验由2辆38t的三轴重型车组成,
每组2台车同时行进,行车速度分别为1O,2O,30,
40km/h.试验中采用Bushnell手持雷达测速仪对行
车速度进行准确测量.试验测得的不同车速下各跨跨
中最大竖向,横向位移曲线,如图18,图19所示.可
见随行车速度的增加,各跨跨中竖向振幅响应有明显
增加趋势,且不同行车速度下,各跨跨中的竖向振幅比
横向大很多,说明该桥横向刚度较大;各测点的振幅值
基本符合受力规律.
昌
馨
斗<
堪
行车速度/（km/h）
图18不同行车速度下
各跨跨中竖向位移幅值
昌
{
哩
斗<
行车速度/（km/h）
图19不同行车速度下
各跨跨中横向位移幅值
试验测得本联桥中跨跨中截面冲击系数介于
1.02～I.193,且随行车速度的增加有增大的趋势,最
大值出现在30km/h时,但当车速超过30km/h时,冲
击系数反而降低（图20）,表明无障碍行车对桥梁结构
的冲击作用较小.另外,由实测的动应变曲线（图21）
结果可知,其动应力变化较为平滑,应力过渡良好,主
梁的应变影响范围较短,说明其受力行为和结构形式
是一致的.
3.5.4跳车试验结果与分析
跳车作用下,测得中跨跨中截面冲击系数介于
1.362—1.752（图22）,较无障碍行车时增大,说明当
桥面不平顺时,车辆对结构的冲击作用将增强.由图
23可知,跳车作用下,桥梁结构动应力变化亦较为平
滑,应力过渡仍然良好.
佰
量
垛
柑
量
.
20
I6
.12
08
.04
130
lO203O40
行车速度/（km/h）
图20无障碍行车各
状态下的冲击系数
行车速度/（kr~h）
图22跳车试验时各
状态下的冲击系数
4结论
图2130km/h无障碍行
车时中跨中截面动应变曲线
图2380km/h跳车时
中跨中截面动应变曲线
厦门市BRT自2008年投入使用以来,极大地改
善了厦门市的交通状况,同时,其独特的高架桥设计形
式,也成为了厦门市一道独特而美丽的城市景观.此
外,通过对厦门BRT高架桥中的典型桥梁——吕岭路
跨线桥的成桥静动载试验,可以得到以下几点结论:
（1）通过静载试验分析可知,结构在试验荷载作
用下处于弹性工作状态,刚度性能良好,受力状况合
理,满足设计要求;
（2）试验测得的结构各阶频率均大于理论计算
值,表明结构具有较大的刚度,动力性能良好;
（3）无障碍行车和跳车试验表明,结构关键部位
的应力过渡良好,主梁的应变影响范围较短,且跳车对
桥面的冲击系数较无障碍行车时更为明显.
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