太中(銀)鐵路變寬道岔連續(xù)梁構(gòu)造及支座布置研究

于維汗

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

太中(銀)鐵路為Ⅰ級(jí)電氣化鐵路，全線鋪設(shè)無(wú)縫線路有砟軌道，并預(yù)留200 km/h速度條件。其起自太原南站，西達(dá)寶蘭線中衛(wèi)站、銀川站，沿線橫穿山西、陜西、寧夏3個(gè)省和23個(gè)縣市區(qū)，是西北地區(qū)通往東部最便捷的通道，其建成對(duì)于西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施具有重要的促進(jìn)作用。太中(銀)鐵路子洲站中心里程為DK292+850，車(chē)站范圍位于307國(guó)道與大理河之間的河灘上，由于太原端為跨越大理河及青銀高速公路設(shè)子洲大理河特大橋，從而導(dǎo)致車(chē)站太原側(cè)咽喉區(qū)位于橋上，包括一組八字渡線和2組單開(kāi)并置12號(hào)道岔，如圖1所示。

圖1 太中銀鐵路子洲站平面示意

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)線路等級(jí):國(guó)鐵Ⅰ級(jí);

(2)股道布置:中間正線2條，兩側(cè)到發(fā)線2條;正線線間距5.0 m，到發(fā)線與正線線間距分別由道岔處相并漸變至5.0 m，其中道岔心軌根端距正線2.09 m;

(3)線路坡度:1.0‰;

(4)設(shè)計(jì)活載:中-活載;

(5)軌道形式:重型軌道標(biāo)準(zhǔn)，有砟軌道，鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路;

(6)地震力:地震動(dòng)峰值加速度0.05g;

(7)設(shè)計(jì)行車(chē)速度:客車(chē) 200 km/h，貨車(chē) 120 km/h。

(8)二期恒載:包括鋼軌、扣件、軌枕、道砟、保護(hù)層、擋砟墻、人行道等，由最窄端195 kN/m線性漸變至最寬端364 kN/m。

3 無(wú)縫道岔對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)要求

道岔結(jié)構(gòu)通常設(shè)置在軌道伸縮區(qū)，由于橋上無(wú)縫道岔與橋梁本身之間相互作用機(jī)理較為復(fù)雜，故為了盡量減少兩者耦合計(jì)算自由度和梁縫處受力突變，需滿足以下基本邊界條件:

(1)整組道岔所在橋面應(yīng)為整體式結(jié)構(gòu)，并且每組道岔宜鋪設(shè)在同一聯(lián)梁上;

(2)尖軌尖端及心軌根端距離梁縫不小于18 m;道岔轉(zhuǎn)轍器及轍叉部分、道岔的導(dǎo)曲線部分不跨越梁縫。

(3)道岔布置以盡量減小橋梁溫度跨度為原則，以避免設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

(4)中-活載作用下，梁體豎向撓度不大于L/5 000(L為橋梁跨度)，3 m梁段范圍內(nèi)一線2根鋼軌的豎向相對(duì)變形量t＜3.0 mm，梁端豎向折角＜1.0‰。

(5)列車(chē)橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力作用下，梁體水平撓度不大于梁體計(jì)算跨度的L/4 000。

另外，橋面寬度在構(gòu)造上除需滿足股道布置要求外，還要滿足裝設(shè)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)限界要求，即在道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)布置范圍內(nèi)，從擋砟墻內(nèi)側(cè)邊緣起至相鄰線路中心距離需由區(qū)間正線的不小于2.2 m加寬至不小于3.2 m;橋梁加寬后的外側(cè)電纜槽道與其兩端未加寬段的電纜槽道應(yīng)保持貫通，電纜槽道銜接處要求平面夾角大于120°，以便于養(yǎng)護(hù)維修，見(jiàn)圖2。

圖2 雙線變四線無(wú)縫道岔設(shè)置要求

4 橋梁構(gòu)造

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)形式

為滿足無(wú)縫線路設(shè)置道岔的要求，在雙線變四線道岔區(qū)采用1聯(lián)3×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁全長(zhǎng)98.0 m。梁體為單箱三室、等高度、箱體變寬的中間直腹板、外側(cè)斜腹板箱梁結(jié)構(gòu)，梁高2.80 m，高跨比1∶11.68，箱梁頂板寬12.06～22.06 m，在大里程端為與簡(jiǎn)支T梁人行道相接，橋面每側(cè)局部加寬0.4 m，一般底板寬8.22～14.96 m，支點(diǎn)處底板每側(cè)加寬0.42 m，頂板厚度30 cm，底板厚度由30 cm變化至60 cm，腹板厚度由跨中處的50 cm按直線變化至支點(diǎn)處80 cm，梁體在端部和墩頂處共設(shè)置了4道橫隔板，梁端橫隔板厚度1.5 m，墩頂處橫隔板厚度2.0 m。為方便檢查人員，橫隔板上均設(shè)過(guò)人孔洞。梁體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 3×32 m連續(xù)梁立面及梁端截面(單位:cm)

4.2 構(gòu)造優(yōu)化處理

(1)由于要滿足雙線變四線的過(guò)渡，勢(shì)必造成連續(xù)梁全聯(lián)范圍內(nèi)橋面寬度有較大變化，加上局部構(gòu)造加寬要求，使得橋面外輪廓控制包線棱角分布較多。本著外觀簡(jiǎn)潔、結(jié)構(gòu)受力合理、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的原則，并考慮既便于施工又不增加較大工程量的因素，最終將橋面統(tǒng)一成平順變化的梯形，如圖4所示。

圖4 3×32 m連續(xù)梁橋面優(yōu)化情況(單位:cm)

(2)關(guān)于腹板沿橋長(zhǎng)方向的分布，對(duì)比了以下4種情況:

①中間直腹板平行、外側(cè)斜腹板扇形分布，懸臂等寬;

②中間直腹板平行、外側(cè)斜腹板扇形分布，懸臂變寬;

③中間直腹板及外側(cè)斜腹板均扇形分布，懸臂等寬;

④中間直腹板及外側(cè)斜腹板均扇形分布，懸臂變寬。

根據(jù)橫向計(jì)算和經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果，并適當(dāng)考慮本連續(xù)梁同兩側(cè)相鄰梁跨間銜接的美觀效果，最終采用④方案，如圖5所示。

圖5 3×32 m連續(xù)梁腹板構(gòu)造(單位:cm)

5 變寬道岔連續(xù)梁的支座布置

為了減少梁體位移對(duì)道岔的影響，對(duì)于單箱多室變截面連續(xù)梁的橫向支座布置尤其重要。通常縱向上固定支座宜設(shè)置在道岔中間，通過(guò)合理的調(diào)整孔跨布置使道岔前后不設(shè)鋼軌調(diào)節(jié)器;橫向支座布置應(yīng)結(jié)合各線的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)因溫度變化引起的梁縫處鋼軌可能產(chǎn)生的橫向變位進(jìn)行控制，盡量減小溫度跨度。對(duì)于扇形分布的截面來(lái)說(shuō)，斜置腹板下支座的控制位移方向也是需要探討的問(wèn)題。

5.1 梁體縱向的支座方向的確定

取圖6所示支座布置，即64、65、67號(hào)墩上的各支座均為多向活動(dòng)支座，66號(hào)墩上設(shè)固定支座和橫向活動(dòng)支座，各支座均設(shè)于腹板中心線下，考察在外荷載作用下支座的運(yùn)動(dòng)方向，主要是與固定支座相連的同一直線上的多向活動(dòng)支座的運(yùn)動(dòng)方向(圖中支座節(jié)點(diǎn)2076、2004、3285)。通過(guò)建立空間實(shí)體元模型，活載加載方式為全橋長(zhǎng)范圍的單線或雙線均布載，支座的計(jì)算位移見(jiàn)表1。

圖6 3×32 m連續(xù)梁支座類(lèi)型及布置方式1

表1 支座位移計(jì)算結(jié)果1

由表1中數(shù)據(jù)可以看出。

(1)整體升降溫時(shí)，各支座位移的方向(斜度)有一定的規(guī)律，即沿各自與固定支座連線的方向呈放射狀變化。

(2)3285號(hào)支座處橋面較寬，支座基本位于線位下方，在均勻荷載(二期荷載、雙直線、雙曲線)作用下，支座主要是縱向位移，橫向位移很小，即位移的方向基本垂直。各活載作用下支座位移的平均方向?yàn)?271.9°。

(3)2076號(hào)支座處橋面較窄，中間兩支座間距為2.68 m，而正線的線間距為5.0 m，在均勻荷載(二期荷載、雙直線、雙曲線)作用下，支座位移的方向?yàn)?8.2°，偏離與固定支座的連線方向2.4°，說(shuō)明荷載作用時(shí)2076支座產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)，使支座方向發(fā)生了改變。各活載作用下支座位移的平均方向?yàn)?2.7°。

(4)2004號(hào)支座處于2076號(hào)支座與固定支座之間，中間兩支座間距為3.45 m，也在兩正線線位的內(nèi)側(cè)，在均勻荷載(二期荷載、雙直線、雙曲線)作用下，支座位移的方向?yàn)?70.5°，偏離與固定支座的連線方向1.1°，荷載作用時(shí)2004號(hào)支座產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形小于2076號(hào)支座。各活載作用下支座位移的平均方向?yàn)?272.4°。

(5)3個(gè)支座除溫度變形外，其他荷載作用下的變形沒(méi)有共同的活動(dòng)方向，說(shuō)明由于支座間距的不同，和支座與橋面上線路的相對(duì)位置關(guān)系、岔線出岔位置的不同，使荷載作用時(shí)各支座處的變形方向規(guī)律性不大。

(6)3個(gè)支座的橫向位移有正有負(fù)，在各荷載組合工況下最大的橫向位移量為0.01+0.10+0.11=0.22 mm，數(shù)值較小，遠(yuǎn)小于最大縱向位移量0.34+8.97+0.35=9.66 mm。

5.2 梁體橫向的支座方向的確定

取圖7所示支座布置，即3247號(hào)支座為固定支座，其余支座均為多向活動(dòng)支座，各支座均設(shè)于腹板中心線下，考察在外荷載的作用下支座的運(yùn)動(dòng)方向，主要是與固定支座相連的橫向各支座的運(yùn)動(dòng)方向(圖中支座節(jié)點(diǎn)3242、3254、3259)，通過(guò)建立空間實(shí)體元模型，支座的計(jì)算位移見(jiàn)表2。

圖7 3×32 m連續(xù)梁支座類(lèi)型及布置方式2

表2 支座位移計(jì)算結(jié)果2 mm

由表中數(shù)據(jù)可以看出。

(1)恒載和活載作用下3個(gè)支座的縱、橫向位移均很小，不控制設(shè)計(jì)。

(2)支座位移主要是由于溫度變化引起的，整體升、降溫25℃時(shí)，支座的活動(dòng)主要是以橫向位移為主。

5.3 設(shè)計(jì)采用支座布置

通過(guò)分析各工況下支座位移的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，順橋向與固定支座同一直線上的各支座最大橫向位移為0.22 mm，數(shù)值較小，遠(yuǎn)小于縱向活動(dòng)量，因此設(shè)計(jì)為縱向活動(dòng)支座;而橫橋向與固定支座同一直線上的各支座主要以橫向位移為主，縱向位移微小，因此，設(shè)計(jì)采用橫向活動(dòng)支座;其余支座均采用多向活動(dòng)支座，如圖8所示。

圖8 3×32 m連續(xù)梁支座布置示意(單位:cm)

6 結(jié)語(yǔ)

(1)變寬道岔連續(xù)梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)根據(jù)無(wú)縫線路的構(gòu)造要求、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)限界要求及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)需要等條件綜合考慮，力求構(gòu)造簡(jiǎn)單、合理、施工方便。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，證明對(duì)于本3×32 m連續(xù)梁，斜置腹板的支座布置成垂直于橫隔板方向是可行的，也是合理的。

(3)當(dāng)腹板與隔板斜交法向角較大時(shí)，建議對(duì)順橋向與固定支座同一連線上的各支座位移進(jìn)行綜合計(jì)算。若其橫向位移較為控制，可考慮將支座縱向活動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)整，使之與固定支座連線重合，雖然結(jié)構(gòu)計(jì)算與構(gòu)造均更為復(fù)雜，但可抵消支座的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全有利。

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