廣州地鐵4號線整孔簡支箱梁設計

趙廷儉

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055； 2.北京交通大學土建學院,北京 100044)

1 概述

廣州地鐵4號線車陂南到黃閣段為4號線的二期工程,高架區間全長22.2 km,除個別跨越河流、道路等特殊地段采用連續剛構、連續梁等結構外,其余均為簡支箱梁。綜合考慮現場的自然環境、人工構筑物、運輸條件及施工環境等因素,主要采用了整孔預制架設和節段拼裝2種施工方案。其中,整孔預制的簡支箱梁架設里程為12.1 km,共357孔,開創了國內軌道交通領域大規模采用整孔預制、吊裝、架設箱形梁的先河。

2 整孔簡支箱梁的結構設計

2.1 設計參數

2.1.1 線路情況

廣州地鐵4號線的線路設計為雙線,直線地段線間距為4.0 m,曲線地段根據半徑和曲線超高不同選用不同線間距,最大值為4.25 m。線路最小曲線半徑600 m,設計最大行車速度為90 km/h。

2.1.2 設計荷載

結構自重按照《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—1999)采用,二期恒載包含保護層、防水層、板式道床、鋼軌結構、擋板、電纜及其支架、三軌支撐設備、緊急疏散平臺、橫坡墊層等重量,本設計中按雙線76 kN/m計算。

活載采用4號線列車活載,具體圖式見圖1。設計時考慮了列車活載的動力作用。此外,計算中按規范要求計入了列車運行產生的離心力。

圖1 列車活載圖式(單位：m)

對于風力、列車橫向搖擺力以及列車脫軌荷載和施工臨時荷載均按規范進行了設計和檢算。

2.1.3 橋面布置

廣州地鐵4號線列車采用直線電機系統,其供電方式為第三軌供電,取消了傳統的接觸網；橋面寬度不隨線間距的變化而改變,統一為9.3 m；橋面最外側設置預制的混凝土欄桿,局部地段在其上加裝聲屏障,欄桿內側設置強電電纜支架；為滿足軌道交通緊急情況下的人員疏散要求,在橋面中心位置預留底座,安裝疏散平臺,并在疏散平臺立柱上設置弱電電纜支架；全部采用預制混凝土軌道板,軌道超高以及空間位置調節通過軌道板尺寸和扣件調整來實現。橋面布置見圖2。

圖2 橋面布置示意(單位：mm)

2.2 跨度設計

廣州地鐵4號線的整孔簡支箱梁主型跨度為30 m,輔助跨度為25 m,個別地段根據配跨需要設計了28.4、27.5、25.4、20 m等非標準跨度梁共13孔。為便于工廠預制,提高模板的使用效率,降低制梁成本,各種跨度的整孔梁只將截面無變化的跨中段長度進行相應調整,且預制梁體的端模設計為可移動式模板,大大降低了非標準跨度梁體的預制成本。

以30 m跨度梁為例,梁體實長29.9 m,支座中心距為28.8 m,支點距離梁端0.55 m,滿足受力和構造的要求。

2.3 截面形式

梁體采用了單箱單室結構,梁面寬9.3 m,梁底寬4.0 m,梁高1.7 m；腹板為斜腹板,傾斜度為1∶4,既滿足受力需求,又使梁體外形簡潔、清秀、美觀,且脫模方便；支座的橫向中心距為2.8 m；梁體縱向采取頂板、底板、腹板漸變的形式,滿足受力要求；在梁端頂底板和腹板加厚較多,一是滿足預應力束錨固要求,二是改善支點受力狀況,三是起到端隔板的作用,提高梁體的動力特性。圖3為梁體縱剖面和橫截面示意。

圖3 30 m整孔箱梁示意(單位：mm)

2.4 設計指標

本設計依據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—1999)和《地鐵設計規范》(GB50157—2003),按照全預應力結構對梁體在張拉、存梁、吊裝、運輸、架設以及運營階段的受力狀況進行了詳細計算,據其結果配置預應力束。根據對斜截面強度、梁體抗扭以及箱梁截面的環框受力分析和計算結果,結合構造要求,合理配置了梁體普通鋼筋。30 m整孔箱梁的主要設計指標見表1。

表1 30 m整孔預制簡支箱梁的主要設計指標

2.5 梁體線形控制

30 m整孔箱梁在梁體自重和預應力荷載作用下,跨中上拱值為26.7 mm；在靜活載作用下跨中下撓9.4 mm；3年后收縮徐變全部完成時梁體的上拱度為40.7 mm。因此,梁體預制時需要設置反拱,反拱設置按照3年時梁體的上拱度減去0.5倍靜活載作用下的撓度計算,其值為36 mm。

廣州地鐵4號線采用無砟軌道系統,軌道鋪設完成后,軌道調高只能通過扣件來實現,調高值十分有限；加之4號線采用直線電機系統,電機感應板安裝于軌道板上,在施工完成后對于豎向的位移十分敏感,若梁體上拱過大,則產生不平順和凸起,嚴重影響線路運營。因此,4號線對于梁體的后期徐變拱度提出了十分嚴苛的要求,需控制在10 mm以內,經過嚴密計算和合理設置預應力鋼束,本線簡支整孔箱梁的后期徐變拱度均滿足要求,其中,30 m梁的后期徐變拱度理論計算值為5.97 mm。經過監測單位的長期觀測,所獲后期徐變拱度的數據均小于理論計算值。

3 構造設計

3.1 疏散平臺基礎臺座

與鐵路橋梁不同,絕大多數軌道交通的橋梁上均需設置緊急疏散平臺(亦稱逃生平臺),不同城市、不同線路由于標準和線路線間距、列車情況的不同,緊急疏散平臺也會采取不同的設置方式。廣州地鐵4號線的疏散平臺設置方式為：在橋梁中心線預留基礎臺座,待軌道鋪設完畢后,在臺座上安裝鋼結構的立柱,之后在立柱上方鋪設預制混凝土板。

基礎臺座為400 mm×400 mm的矩形鋼筋混凝土,高度為250 mm,位于橋面中心線上,間距為1 250 mm。混凝土臺座設計時考慮疏散平臺自重及其上活載的作用,并結合立柱的錨固形式配置適量的普通鋼筋。混凝土臺座在梁體預制時一并澆筑。

3.2 排水孔

廣州地鐵4號線橋面排水層設置為“V”字形橫坡,橋面雨水匯集后沿橋面中心線區域流向靠近梁端設置的排水孔,通過埋設其內的排水管排出。梁體預制時在距離梁端945 mm和1 475 mm的位置沿橋面中心線縱向在頂板上預留2個φ270 mm的排水管孔。梁體梁端均預留此孔,當梁體位于坡道上只需一端排水時,則將另一端的預留孔用微膨脹混凝土封堵,并做防水處理。因排水管孔徑較大,對頂板鋼筋有所影響,在設計中對孔洞周圍鋼筋按照受力計算要求和構造進行適當補強。

此外,為防止因特殊原因在梁體箱內積水,在底板上亦設置了2個φ80 mm的泄水孔。

3.3 梁端進人孔

考慮到梁體后期養護維修以及排水管道安裝檢修的需要,本設計中在梁端設置了進人孔。進人孔在梁端底板預留1 550 mm×250 mm的開槽,相鄰兩孔梁架設完成后,在橋墩頂部兩個開槽相對形成了一個較大的進人孔(圖4)。進人孔設置在此位置不影響預應力鋼束的布置,對梁體受力影響甚微。進人孔隱藏在橋墩頂部,不影響橋梁的外觀線條連續性,較為美觀,同時也有利于檢修人員利用墩頂工作和進出梁體箱內。

圖4 梁端進人孔示意圖

4 線形布置

軌道交通的線路較之鐵路線路,具有曲線多、半徑小、坡度變化多的特點,廣州地鐵4號線使用整孔梁的地段最小曲線半徑為600 m。整孔梁在預制時無法做成曲梁,因此橋梁在曲線上的布置成為設計中的難點。4號線橋梁的線形布置以平分中矢法為原則,結合線路特點進行計算。在橋梁布置計算中考慮了以下因素：

(1)軌道交通線路以右線里程為準,所有計算均以右線的連續里程為基礎；

(2)軌道交通的橋梁位置的確定與鐵路橋梁按照橋墩中心里程和橋梁偏角的方式不同,要求對所有有關位置的數據提供大地坐標；

(3)限界在不同地段的數值不同,隨曲線半徑的調整有所變化,在直線地段向曲線地段過渡時采用線性漸變的方式；

(4)鋪設軌道板和無縫線路要求的精度高,且對梁縫寬度有明確限制。

綜合以上因素,按照平分中矢法的基本原則,在設計中推導出了曲線地段梁跨布置的計算公式,并編制了計算程序和表格,為箱梁預制、架設以及支座安裝提供了大量詳細而精準的數據。

對于曲線地段梁縫的處理,保持內側梁縫寬度100 mm不變,通過加長外側梁體長度來實現。預制梁體的端模設計為可旋轉模板,通過旋轉端模使梁體外側加長,呈一楔形,以解決外側梁縫過寬的問題。為便于制造,對外側梁體加長值進行歸類,共設置4種加長值,全部滿足了軌道專業提出的外側梁縫不能超過170 mm的要求。全線共按此方式處理了145孔整孔箱梁。

梁端處理時根據該孔梁在線路中所處的位置,分左側和右側兩種加長方式,每孔梁在線路上的位置唯一確定,制造、架設時均編號對應。

5 架設工藝及檢算

廣州地鐵4號線的整孔箱梁通過利用橋梁本身做為運輸通道,通過運架設備在已架梁體和橋墩上走行和落梁安裝。該技術已經在國內鐵路客運專線上大規模應用,比較成熟、可靠。

針對此種架橋工藝,橋梁設計時有兩個需要重點考慮和檢算的環節,一是橋梁的起吊,二是運架設備(一般是由架橋機和運梁車組成,也有運架一體機)在走行和落梁安裝過程中對已架橋梁以及橋墩的荷載作用。

圖5 吊點布置示意(單位：mm)

廣州地鐵4號線30 m整孔梁的起吊重量為4 100 kN,吊點設置在梁端頂板厚度無變化段,每孔梁設置8個吊點,具體位置見圖5。每個吊點的吊具支承面積需大于400 mm×400 mm,在吊梁過程中保持8個吊點均衡受力,且支承處與梁體密貼。吊點周圍的鋼筋根據受力需要進行加強,計算得出的混凝土應力和裂縫寬度均在規范的限值之內。

廣州地鐵4號線整孔梁的運架分為2個標段,使用的設備各不相同,設計中需要按照運架設備在運輸、提梁、移位、落梁各個過程中的不同工況,對梁體的強度安全系數、抗裂安全系數、混凝土應力和鋼筋應力以及局部承壓能力等進行檢算,根據計算結果對運架設備提出改進意見。4號線所采用的運架設備在改進后順利完成了預定架設目標,通過對梁體在運架過程中的受力情況監測,較好地驗證了理論計算的結果。

6 結語

廣州地鐵4號線大規模采用整孔預制箱梁,由于其在梁場預制,質量得以保證,且有利于標準化和規模化生產,有效地提高了制梁效率。利用已架設橋梁作為架梁通道進行整孔架設,不受線路沿線運輸條件限制,施工速度快(平均每天可架2孔),現場工作量小,并且對沿線道路交通、地面建筑物影響小,節省工程費用。同時,制梁工作和橋梁下部基礎施工可同時開展,有利于縮短工期。

整孔預制箱梁在廣州地鐵4號線的成功應用,為該項技術在工期要求緊、跨越道路多、對環境要求嚴苛的軌道交通領域推廣使用積累了經驗。

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