加設封閉式防護罩的預應力混凝土槽形梁整體設計研究

范連合

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

目前環境保護已經成為一種重要的鐵路橋梁設計理念。在鐵路橋梁跨越那些對環境保護有嚴格要求的既有公路、鐵路及河流和水渠時,需要采取相關的環境保護措施,避免鐵路橋梁在跨越時對其造成不良影響。因此考慮在橋梁上設置類似防護罩類的結構既能起到隔音減噪的作用,又能有效的防止橋上掉落雜物影響橋下的道路(公路和鐵路)及河流和水渠。

1 工程概況

新建邯黃鐵路(邯鄲至黃驊港)設計標準為120 km/h,為單線鐵路,線路與河北省衡水地區水源地-衛千渠立體交叉。為避免衛千渠的水質在橋梁建成運營后不受到污染,跨越處采用防護式封閉罩對衛千渠的水質進行保護,同時為了能夠有效的降低防護式封閉罩的建筑高度,減小結構的受風面積,跨越處采用(40+64+40)m槽形連續梁,這樣既能起到環境保護的作用,又能減小結構在受力上的不利影響。槽形梁的橋面布置如圖1所示。

圖1 槽形梁橋面布置示意(單位：mm)

2 防護式封閉罩的設計及計算分析

由于在鐵路橋梁上加設防護式封閉罩尚屬首例,因此在鋼骨架選材上選擇橫向剛度較大的工字型鋼,陽光板選用厚度為8 mm的實心聚碳酸酯陽光板,其材料特性為質輕且具有較高強度。由于陽光板透光率高且可選顏色,施工完畢后的橋梁還能起到一定程度上的景觀作用。

2.1 防護式封閉罩的設計

防護式封閉罩是在H形立柱(Q345qD)形成的鋼骨架上鋪設8 mm厚度的實心聚碳酸酯陽光板構成,H形立柱由寬度為384 mm、厚度為16 mm的腹板及寬度為200 mm、厚度為16 mm的上下翼緣板焊接而成,鋼骨架沿縱橋向每2 m設置1道共73道,每2道鋼骨架之間采用沿橫橋向3道200 mm×16 mm的等邊角鋼形成的縱梁連接,以增加結構的整體穩定性。縱梁設置按照沿縱橋向隔段鋼骨架設立的原則,避免縱梁因鋼骨架與梁體間的不均勻豎向變形的不利影響。陽光板與鋼骨架之間的連接采用M5螺栓栓接的方式連接,每片陽光板沿縱橋向的螺栓孔一側設置成固定孔,一側設置成可活動孔,避免陽光板參與鋼骨架與梁體之間的受力,加大結構設計的安全度。陽光板與鋼骨架之間的聯結方式如圖2、圖3所示。

圖2 陽光板與鋼骨架連接立面布置(單位：mm)

圖3 陽光板與鋼骨架橫截面連接布置(單位：mm)

2.2 防護式封閉罩有限元模型的建立

按圖2、圖3所示封閉式防護罩設計圖建立的有限元模型如圖4所示。鋼骨架及縱梁采用梁單元模擬,陽光板采用板單元進行模擬。邊界條件為鋼骨架底端采用固結方式,同時施加由于梁體變形引起的相鄰鋼骨架的的相對豎向變形。

圖4 封閉式防護罩有限元模型

2.3 作用于封閉式防護罩上的外力

(1)自重：按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)取值,鋼材容重γ=78.5 kN/m3,陽光板容重γ=15 kN/m3。

(2)風荷載：按《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2001)第7章辦理。

(3)雪荷載：按《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2001)第6章辦理。

(4)列車氣動力：水平氣動力為q=0.27 kN/m2,垂直氣動力為q=0.21 kN/m2。

(5)接觸網及回流線施加的外荷載如表1所示,荷載作用方向如圖5所示。

(6)溫度荷載：體系升溫按照整體升溫60 ℃考慮；體系降溫按照整體降溫25 ℃考慮。

表1 接觸網及回流線外荷載

圖5 荷載作用方向示意

2.4 計算結果

(1)在外荷載最不利荷載組合作用下,鋼骨架的最大應力為164.8 MPa；最大橫向位移為3.1 mm,豎向位移為5.15 mm。均滿足設計及使用要求。

(2)鋼骨架作用于槽形梁單側箱體上的最大反力如表2所示,反力作用方向與圖3所示一致。

表2 作用于槽形梁單側箱體上的最大反力

(3)由封閉式防護罩引起的橋上二期恒載增加值為35.3 kN/m。

3 槽形梁的設計及計算分析

槽形梁在加設封閉式防護罩之后,由于防護罩受列車通行及接觸網高度的控制,防護罩具有較高的結構高度,受風壓及雨雪影響較大,橋上二期恒載增加幅度較大。同時封閉罩加設以后槽形梁內側腹板溫度上升很快,引起較大的內側腹板溫差,對結構受力有很不利的影響。

3.1 槽形梁的主體結構設計

(40+64+40)m連續槽形梁結構形式為跨中梁高3.5 m,邊支點處梁高4.3 m,中支點處梁高5.6 m,梁頂由支點向跨中按圓曲線變化,曲線半徑為260.65 m。 槽形梁橫橋向尺寸擬定參照《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)第9.1.1條相關規定,總寬度為10.8 m,內側凈寬6.9 m。擋砟墻高度0.70 m,底寬0.25 m,頂寬0.2 m。縱梁腹板寬度0.3～0.4 m,按折線變化；頂板厚度0.47 m,道床板厚度為0.45 m,支點處設置橫梁,高1.25 m,邊支點處寬度1.1 m,中支點處寬度1.5 m。全橋在支點處隔墻設置1 m高進人孔,共計8處。全橋共分4個梁段,跨中A1號梁段長度34.0 m,中支點處A2梁段長度25.0 m,中跨A3合龍段長度2.5 m,邊跨A4號梁段長度28.05 m。梁體重點部位橫截面布置如圖6所示。

圖6 槽形梁中支點及跨中和梁端橫截面布置(單位：cm)

3.2 槽形梁縱向受力分析

本文應用西南交通大學編制的BSAS程序及通用有限元軟件MIDAS分別建立模型進行計算和校核工作,模型對各個施工階段的梁體受力進行了模擬,如實的反映出實際施工時的各種狀態。2種模型計算的結果吻合度很高。圖7、圖8分別為MIDAS和BSAS建立的有限元模型。

圖7 MIDAS建立的槽形梁有限元模型

圖8 BSAS建立的槽形梁1/2有限元模型

3.2.1 槽形連續梁的主要設計參數

(1)恒載

①結構構件自重：按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)取值,梁體混凝土容重γ=25 kN/m3。

②二期恒載包括橋上設施及封閉式防護屏等重量。二期恒載取值：按109.9 kN/m計算。

③混凝土收縮、徐變影響按規范進行計算。

④基礎沉降按相鄰墩臺沉降差，按15 mm考慮。

(2)活載

①計算采用“中-活載”。

②列車活載動力系數為1.09。

③橫向搖擺力根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)第4.3.8條規定辦理。

④人行道及欄桿荷載根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)第4.5.1條規定辦理。

⑤曲線列車豎向靜活載產生的離心力根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)第4.3.6條規定辦理。

(3)附加力

①風力：按《鐵路橋涵設計基本規范》(TBl0002.1—2005)第4.4.1條計算。

②溫度荷載：施工合龍溫度按照5～15 ℃考慮,梁體按均勻升溫20 ℃、降溫20 ℃計算,非線性溫度變化按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TBl0002.3—2005)計算。

(4)特殊荷載

①列車脫軌荷載：根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)第4.3.11條規定辦理。

②地震力：按《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111—2006)規定計算。

(5)荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合,取最不利組合進行設計,并對特殊荷載進行檢算。

3.2.2 計算結果

(1)結構變形

梁體在靜活載作用下的豎向位移及梁端轉角計算結果如表3所示。

表3 梁體結構變形

(2)梁體安全性指標計算結果

梁體在施工階段及運營階段下安全性指標如表4所示。

表4 梁體計算安全性指標

從表3、表4計算結果可以看出,槽形梁在加設防護式封閉罩之后,梁體的變形及各項安全性指標均滿足設計及使用要求。

3.3 槽形梁橫向受力分析

槽形梁由于受日照溫差、寒潮等溫度影響及梁上橫向布置的荷載影響,除進行縱向計算之外,還需進行梁體的橫向計算。本文在槽形梁中跨跨中截取2 m直段采用MIDAS進行橫向分析計算,模型如圖9所示。模型中建立了橫向預應力鋼束,建立了混凝土材料的依存特性,用于分析預應力鋼束及混凝土的收縮徐變對梁體橫向受力的影響。

圖9 槽形梁橫向分析有限元模型

3.3.1 槽形梁橫向計算設計參數

槽形梁橫向計算荷載主要考慮以下幾種：

(1)梁自重及二期恒載、混凝土收縮和徐變、預應力；

(2)來自封閉式防護罩引起的外力；

(3)活載：采用中活載的標準活載；

(4)溫度荷載：日照偏曬按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)附錄B計算得出,槽形梁兩側箱形頂板溫差為15.3 ℃,腹板溫差為13.3 ℃；寒潮情況下頂板、底板及腹板均為-10 ℃的溫差。

圖10 槽形連續梁橫向分析外加荷載示意

3.3.2 槽形梁橫向計算結果分析

截取的梁段在各種荷載作用下,內力計算結果如表5所示,根據表5計算結果對梁體的橫向配筋進行計算,計算結果如表6所示。

表5 梁體橫截面分析內力計算

表6 最不利荷載組合下梁體橫向配筋計算結果

從表4、表5可以看出槽形梁在主力+附加力的作用下,鋼筋的配筋完全滿足設計要求。

4 槽形梁施工

槽形連續梁采用支架現澆法施工。槽形梁在基礎及橋墩施工完成后,在其基礎及兩側邊跨和中跨的跨中設置臨時墩,再在臨時墩上搭設腳手架或者搭設貝雷梁。槽形梁在施工時先澆筑中間主墩上的兩段混凝土及中跨跨中節段的混凝土,待混凝土強度達到設計強度的90%以上時張拉預應力鋼束,然后跨中段混凝土合龍施工,最后澆筑邊跨混凝土進行合龍并張拉預應力鋼束。施工步驟示意如圖11所示。

圖11 槽形梁施工布置示意

5 結論

(1)封閉式防護罩選用的建筑材料聚碳酸酯陽光板具有質輕、強度高的特點,陽光板與鋼骨架之間的連接穩定、可靠。結構的整體穩定性和安全性滿足設計及使用要求。

(2)在加設防護式封閉罩之后,通過調整槽形連續梁的預應力及普通鋼筋的布置,結構的安全性指標滿足設計及使用要求。

(3)由于封閉式防護罩和槽形連續梁形成了一種全封閉結構,能夠保證橋梁在運營后保護衛千渠的水質不受污染。對于有環保要求的立體交叉的橋梁設計上具有一定的推廣價值。

(4)由于預應力混凝土連續槽形梁屬于下承式橋梁的一種,其結構特點是主梁腹板作為主要受力構件,在工程實際應用中具有跨越能力大、降低結構高度的優勢,同時由于其本身結構具有半封閉特性,可以兼做隔音墻及防止車輛傾覆。因此在對有結構高度及跨度要求的工點可推廣使用。

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