輕軌高架橋連續梁墩頂縱向水平線剛度設計探討

崔 宏

(沈陽鐵道勘察設計院有限公司,沈陽 110013)

輕軌交通是一種中等運量的城市軌道交通客運系統,隨著我國城市化進程的加速,輕軌交通成為各大中城市交通系統的主要發展目標。輕軌橋梁設計是一項相對較新的設計工作,結構要求及其作用與“國鐵橋梁”、“道路橋梁”均有不同。目前輕軌橋梁主要執行《地鐵設計規范》(GB50157—2003)及鐵道部頒發的鐵路相關設計規范。輕軌橋梁設計邊界條件復雜、技術難點多,相比鐵路干線橋梁有很大區別。在國內幾條軌道交通高架結構的建設中,各地區根據自身的研究和經驗,結合工程特點,有針對性的制定了相應的設計標準,對工程建設起到了積極作用。本文針對輕軌橋梁特點,結合大連、長春等地區的輕軌設計經驗,對橋梁墩頂縱向水平線剛度的設計進行探討,分析輕軌高架橋連續梁墩頂縱向水平線剛度最小限值的選取。

1 墩頂縱向水平線剛度研究概況

墩頂縱向水平線剛度是橋梁和無縫線路設計的關鍵技術參數,它是指橋梁下部的整體縱向線剛度,包括墩身的彈性變形、基礎的轉動、基礎的水平位移、支座的變形。國內對鋪設無縫線路墩頂縱向水平線剛度的研究大部分是針對簡支梁橋的,其研究成果比較成熟。《地鐵設計規范》對采用無縫線路的區間簡支梁高架結構橋墩墩頂縱向水平線剛度限值有明確的條文規定(表1)[1～3]。

表1 橋墩墩頂縱向水平線剛度(雙線)

近年來,連續梁由于其行車平順性好、外形輕巧美觀等特點在輕軌工程建設中得到越來越多的應用。然而,對于連續梁墩頂縱向水平線剛度最小限值的選取則沒有規范進行明確規定。一些設計單位對連續梁的墩頂縱向剛度按以下兩種情況處理:對聯長小于列車編組長度的,制動墩剛度以聯長為跨度,按跨度增大的比例增大剛度值;對聯長大于列車編組長度的,按列車編組長度為跨度長,按跨度增大的比例增大剛度值。按上述原則控制連續梁墩頂縱向剛度,以 3-25 m連續梁為例,采用 4輛列車編組,其編組長度 78.08 m,以簡支梁 40 m跨剛度限值換算結果為 750 kN/cm。按此結果設計,會存在以下問題:

(1)制動墩尺寸大,與非制動墩及聯間墩形成鮮明反差,外觀效果差;

(2)對于軟土地基及墩高較高的輕軌橋梁是難以實現的,或者說為滿足剛度要求而增加樁基數量、加大承臺及墩柱尺寸等措施所增加的工程費用是巨大的,不經濟的;

(3)其應用缺乏理論依據。

如何確定連續梁的墩頂剛度限值,還應與無縫線路軌道設計相結合,立足于橋梁和軌道結構組成的力學平衡體[4],更全面地分析問題,而不是片面、機械地套用規范。

橋上無縫線路設計,必須檢算由于溫度變化、列車制動、起動等產生的鋼軌附加力。同時為了保證橋梁的受力安全,應檢算相應墩臺附加力[5～7]。在列車制動力作用下,橋梁墩臺頂縱向制動附加力及分布除受輪軌粘著系數、線路阻力等參數影響外,主要由墩臺頂縱向水平線剛度及相鄰墩臺頂剛度匹配所決定。根據國家“九五”科技攻關專題研究成果,制約橋梁下部結構縱向水平線剛度的主要因素是鋼軌中的附加應力[8]。構成橋上鋼軌附加應力的3項內容是:制動力、伸縮力(溫度附加力)和撓曲力。這 3種附加力對橋墩縱向水平剛度影響情況如下。

(1)伸縮力作用下,鋼軌的拉壓力隨橋墩剛度的增加而增加,當橋墩有足夠的剛度(≥6000k N/cm)時鋼軌力增加的幅度不大。因此,當著力于探討小跨度橋墩是否可以采用較小剛度限值時,伸縮力作用對研究的影響是偏于安全的。

(2)撓曲力作用下,鋼軌拉力受橋墩剛度的影響甚小,而鋼軌壓力亦隨橋墩剛度的增加而增大。可見撓曲力作用對研究也是偏于安全的。

(3)制動力作用下,鋼軌的拉力隨橋墩剛度的降低而增大,因此要探討橋墩剛度降低對于鋼軌力的影響關鍵在于制動力作用下鋼軌力的變化規律。

我國高速鐵路線橋結構與技術條件的研究報告中也指出,列車制動時產生的鋼軌附加應力隨下部結構縱向水平線剛度的降低而增大,伸縮力、撓曲力產生的附加應力隨下部結構剛度的降低而減少。但是,剛度對制動附加應力的影響比伸縮附加應力和撓曲附加應力的影響要大得多。如果將伸縮力和制動力疊加,那么疊加的結果將隨著剛度的增加而減小[9]。因此,墩頂剛度越小,橋梁所受制動力越小,但鋼軌制動附加應力越大;增大墩頂剛度可降低鋼軌附加應力,但使得墩頂制動力增大,同時也會增大軌道斷軌力甚至會使軌道斷裂從而影響行車安全。另外,在制動力作用下梁軌之間必然產生相對位移,由此可見,影響墩頂縱向水平線剛度限值的因素就取決于兩方面:一是橋上鋼軌的附加應力;二是在制動力作用下梁軌相對位移的大小。在“八五”、“九五”國家重點科技攻關計劃相關專題研究中,建議鋼軌的最大附加應力限值為:81 MPa(拉)、61 MPa(壓),列車制動力作用下梁軌間的相對位移應控制在 4 mm以下。值得提出的是,對于無砟軌道橋梁,由于制動力作用下的有砟軌道的“梁軌快速位移 4 mm”限值已不適用,現階段橋梁采用非縱連型無砟軌道時,墩臺頂縱向線剛度可偏安全的暫按有砟軌道限值取用。

2 連續梁“軌道 -梁 -墩 -基礎”一體化計算模型的建立

橋上無縫線路是一個非常復雜的力學系統,鋼軌、橋梁之間相互制約、相互協調,若考慮橋梁兩端路基的作用,情況就更復雜,鋼軌與橋梁組成了一個相互影響的整體。本文采用力學模型見圖1,該模型為“軌道 -梁 -墩 -基礎”一體化計算模型,該模型采用連接彈簧來模擬道砟層;不考慮活動支座對縱向附加力的影響;固定支座和橋墩之間通過彈簧連接;墩底使用彈簧來模擬基礎剛度對橋上無縫線路縱向附加力的影響。采用大型通用有限元程序 ANSYS參數化設計語言進行二次開發,編制橋上無縫線路計算程序,對計算項目進行加載、計算,最后輸出橋梁縱向位移、鋼軌縱向位移、梁軌相對位移、鋼軌附加力、墩臺頂位移以及墩臺頂附加力、鋼軌斷縫寬度等數據。

圖1 “軌道 -梁 -墩 -基礎”力學模型

模型所采用的單元類型,主梁、橋墩以及鋼軌:采用 Beam54梁單元模擬,該單元能承受拉壓與彎曲,每個節點上有 3個自由度,沿 x軸和 y軸的位移和繞 z軸的轉動。該單元屬于異型梁單元,允許具有不對稱的斷面結構,并且允許斷面節點偏離截面形心位置,因而可適用于不同梁體的模擬。由于不考慮活動支座影響,故僅需建立制動墩固定支座即可。在模型中,橋梁的縱向位移計制動(啟動)力是主動作用,通過梁軌間的縱向約束帶動長軌條發生縱向位移,在長軌條中產生縱向附加力;同時梁軌間的縱向約束力又以相反的方向作用在橋梁上,并傳遞至固定支座上,帶動墩臺產生縱向位移,使橋梁上翼緣的縱向位移發生改變,可見軌道 -梁 -墩 -基礎是一相互作用的耦合系統。通過求解該系統的平衡位置,即可得到鋼軌中的縱向力、位移及橋梁縱向位移、墩臺縱向力及位移。

3 計算與分析

本文計算的模型采用標準雙線 3跨 25 m單箱單室預應力混凝土連續箱梁,橋上為整體道床,鋪設無縫線路,鋼軌采用 60 kg/m U75V,WJ-2型小阻力扣件,混凝土短軌枕。設計活載采用 B型車,4輛編組,荷載長度 78.08 m,軸重 140 k N。對于較長的輕軌區間橋梁,采用兩端全設置后繼結構的模型,取中間典型的 5聯梁為研究對象,全部位于固定區,不設置鋼軌伸縮調節器。每聯取其中一個墩為制動墩,設置固定支座,其余橋墩為非制動墩和聯間墩,設置活動支座。制動力按單線制動計算,撓曲力按雙線加載計算,溫度伸縮力按橋梁升降溫 20℃考慮。橋梁制動墩下部整體水平線剛度按 20、50、100,150、350、600 kN/cm分別計算 。計算對梁軌相對位移及鋼軌附加應力兩方面進行分析,計算結果見表2。

表2 鋼軌附加應力、制動工況梁軌快速相對位移計算結果

根據計算結果,對梁軌相對位移來說,在列車制動力作用下,梁軌相對位移最大值一般出現在制動力起始位置,按普通膠墊 1 mm為滑移界限[10],當墩頂水平線剛度大于350 kN/cm時,扣件不會出現滑移。扣件剛度的變化和墩頂縱向水平線剛度的變化對鋼軌附加應力影響有限,計算結果均未超過鋼軌檢算強度的界限值。

4 結語

本文對影響輕軌連續梁墩頂縱向水平線剛度限值的因素進行了分析,雖然計算模型簡化了邊界條件,但至少可以得出以下結論。

(1)輕軌橋梁多為整體道床,一般采用小阻力扣件,而且活載比鐵路中 -活載小得多,在制動力作用下,梁軌相對位移的限值應減小。

(2)連續梁墩頂縱向水平線剛度限值應根據梁軌相互作用原理綜合考慮,不宜機械套用規范條文。由本文計算可知,僅從梁軌相對位移及鋼軌附加應力考慮,本文計算模型制動墩墩頂縱向水平線剛度大于350 kN/cm即滿足要求。

在實際的輕軌橋梁設計中,設計邊界條件是復雜的,如地形、地質條件,路橋、橋隧過渡段剛度差值過大,無縫線路的軌道扣件類型等都會影響橋墩縱向水平線剛度的選取,有待于進一步詳細研究。

[1] 鐵道第四勘察設計院.橋梁墩臺[M].北京:中國鐵道出版社,1997.

[2] 鐵道第三勘察設計院.橋涵地基和基礎[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[3] 北京城建設計研究總院.GB 50157—2003地鐵設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[4] 章建慶,王建清.《地鐵設計規范》中高架結構若干技術問題的討論[J].城市軌道交通研究,2004(5):12-14.

[5] 廣鐘巖,高慧安.鐵路無縫線路[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[6] 盧耀榮.無縫線路研究與應用[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[7] 鐵建設函(2003)205號,新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定[S].

[8] 申全增.高速鐵路小跨度梁橋墩設計縱向水平剛度限值的討論[J].鐵道標準設計,1997(12):25-28.

[9] 延 波.城軌交通高架橋墩頂縱向剛度的設計探討[J].都市快軌交通,2007(6):30-32.

[10] 蔣 鵬,馬坤全.城市軌道交通橋梁橋墩縱向水平剛度研究[J].中國市政工程,2007(z2):48-51.