跨座式單軌剛構體系鋼軌道梁的墩梁固結構造研究

徐艷玲 李盼到 王新山

跨座式單軌剛構體系鋼軌道梁的墩梁固結構造研究

徐艷玲1李盼到1王新山2

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司北京100082;2.大連理工大學遼寧大連116024)

墩梁固結構造是剛構體系鋼軌道梁橋的關鍵部位。通過比較焊接連接、嵌套式連接、預應力錨栓連接三種墩梁固結構造方案，創新性地提出傳力機理可靠、疲勞性能優越、可實施性好的預應力錨栓連接方案，并在此基礎上進行錨固構造的錨固能力及預應力錨栓受力驗算，以及錨固構造穩定性計算，錨固構造的應力計算，以此指導此類橋梁的設計工作。

跨座式單軌交通;剛構體系鋼軌道梁;墩梁固結;間隙;應力幅

跨座式單軌交通以其對線路平面小曲線、大縱坡的良好適應能力，占地少、噪聲小、橋梁景觀效果好的特點，在中、小運力軌道交通線路中的應用日益廣泛［1-3］。目前，跨座式單軌交通橋梁結構有簡支體系和連續剛構體系兩種［4］，其中簡支體系橋梁最早由日本方面提出，主要應用于小跨徑的橋梁和采用雙層復合結構體系(即梁上梁結構)的中、大跨徑橋梁，由于雙層復合結構橋梁存在工程造價高、工期長、景觀效果差等弊端，在美國、韓國等地逐漸被接縫少、行車舒適性好、結構抗疲勞性能好，且后期養護工作量少的連續剛構體系橋梁所取代［5］，特別是鋼軌道梁在大跨徑橋梁工程中推廣應用，改善了原混凝土結構工藝復雜、施工精度高、誤差控制困難、工期長等問題，使得剛構體系鋼軌道梁的應用越來越廣泛。在剛構體系橋梁中，墩梁固結構造是上、下部結構之間傳力的重要一環，也是橋梁整體設計的重中之重。

圖1 鋼軌道梁橋橫斷面

1 墩梁固結構造的作用

墩梁固結構造是剛構體系橋梁荷載由上部結構向下部結構傳遞的關鍵環節，剛構體系鋼軌道梁的固結構造受到較大的軸向壓力、雙方向彎矩、扭矩及水平剪力的共同作用，受力復雜，疲勞問題突出，結構構造的合理性、傳力的可靠性、自身受力的安全性及施工的便捷性是剛構體系鋼軌道梁設計成敗的關鍵。墩梁固結構造的作用主要有兩個方面。

1.1 傳遞荷載的紐帶

固結構造是將軌道梁自重及其受到的荷載安全、可靠地傳遞給下部結構的紐帶，其結構構造的合理性、傳力的可靠性及受力的安全性，直接決定了橋梁的整體安全性。

1.2 調高、調坡的手段

由于跨座式單軌交通制式對軌道梁外形要求嚴格，受線路平面、縱斷面曲線及超高的影響，橋梁上、下部結構外形均不相同。為方便施工，墩臺頂面一般采用平面，軌道梁也采用標準形狀，作為上下部結構之間的連接構造——墩梁固結構造在滿足結構傳力需求的同時，可根據線路實際情況進行尺寸調整，實現調高、調坡的功能。

墩梁固結構造體量小，加工方便，可在工廠與主梁一同按設計線形預制加工，待墩柱施工完畢后，運至現場安裝就位以降低施工風險，降低施工難度。

2 墩梁固結構造比選

根據固結構造受到較大的軸向壓力、雙方向彎矩、扭矩及水平剪力的共同作用、疲勞問題突出的受力特點，以及調高、調坡的功能要求，充分考慮其施工的便捷性及耐久性，借鑒現有的技術資料和條件，提出3種墩梁固結構造方案進行比選。

2.1 焊接連接方式

固結構造由軌道梁下支承鋼板及其加勁構造、墩頂預埋鋼板及其錨固構造構成。支承鋼板及其加勁構造在工廠與軌道梁被焊接成為整體，墩頂預埋鋼板及其PBL錨固系統預埋入橋墩蓋梁［6］。施工時將軌道梁運至現場，精確就位后，將支承鋼板及其加勁構造與墩頂預埋鋼板牢固焊接即可，如圖2所示。

圖2 焊接連接方式

此方案構造簡單，施工方便，但上、下部結構間完全依靠支承鋼板及其加勁構造與墩頂預埋鋼板間的T形焊縫傳遞荷載，由于固結構造所受應力幅較大，疲勞特點突出，對焊縫受力極為不利，再加上狹小的操作空間對焊縫質量的影響，導致其受力安全性不高。

2.2 嵌套式連接

固結構造由軌道梁下支承鋼板、嵌固鋼板及其加勁構造、錨固精軋螺紋鋼筋構成。支承鋼板、嵌固鋼板及其加勁構造在工廠與軌道梁被焊接成為整體，墩柱或蓋梁預留錨固孔。施工時將軌道梁運至現場，嵌套入蓋梁或墩柱頂部，精確就位后，張拉錨固精軋螺紋鋼筋，如圖3所示。

圖3 嵌套式連接

此錨固構造受到的壓力由支承鋼板傳遞至蓋梁頂部，拉力通過嵌固鋼板與蓋梁間的摩擦力傳遞至墩柱，因此要求對精軋螺紋鋼筋施加足夠的預加力。此方案傳力機制明確，支承鋼板與嵌固鋼板均在工廠與軌道梁焊接成為整體，焊縫質量及其疲勞性能可得到保證，但由于現場澆注的墩柱與工廠加工的嵌固鋼板間的間隙不易控制，導致實施難度大。受此影響，拉力的傳遞可能失效，導致精軋螺紋受剪破壞。

2.3 預應力錨栓連接

固結構造由軌道梁下支承鋼板及其加勁構造、墩頂預埋鋼板、預應力錨栓及其錨固構造構成。支承鋼板及其加勁構造在工廠與軌道梁被焊接成為整體，墩頂預埋鋼板、預應力錨栓及其錨固系統預埋入橋墩蓋梁。施工時將軌道梁運至現場，精確就位后，張拉預應力錨栓即可完成錨固，如圖4所示。

圖4 預應力錨栓連接

當錨栓施加足夠的預加力時，此錨固構造在任何情況下，支承鋼板與墩頂預埋鋼板間都不會產生拉應力、當錨栓預加力產生的摩擦力大于固結構造所受水平力時，錨栓也不會受剪，因此錨固構造的傳力非?？煽?。同時，此錨固構造抗疲勞性能好，也符合跨座式單軌制式橋梁的受力特點。但此方案的軌道梁就位時需對孔，當預留錨栓數量較多時，施工難度將大大提高，因此應采用大直徑錨栓，盡可能減少錨栓數量。

通過對上述3種方案的優缺點進行分析發現，預應力錨栓連接方式傳力機理更為安全可靠，且具有較強的可實施性，因此推薦采用此方案。

3 墩梁固結構造驗算

墩梁固結構造是剛構體系鋼軌道梁受力的關鍵環節，其傳力的可靠性直接決定著橋梁的整體受力性能，因此必須對其進行全面、精確的受力分析。根據其受力特點，驗算內容主要包括:錨固構造的錨固能力及預應力錨栓受力驗算，錨固構造穩定性計算，錨固構造的應力計算。

3.1 計算模型

墩梁固結構造的驗算雖然僅是解決局部受力安全性的問題，但其對橋梁的整體安全性影響很大，必須采用精細化的仿真分析才能滿足需要，為降低計算分析工作量，可采用局部的脫離體模型進行。本次研究對墩梁固結部位采用大型通用有限元程序ANSYS進行建模計算，有限元模型如圖5所示。

圖5 某中墩墩梁固結構造計算模型

混凝土采用實體單元solid65模擬，鋼梁采用板單元shell63模擬，精軋螺紋鋼采用3D桿單元link10模擬，設置成僅有受拉特性。為計算鋼箱梁底板與混凝土蓋梁之間只能受壓不能受拉的非線性行為，在鋼箱梁底板與混凝土蓋梁表面之間設置微小間隙1 mm，在其間建立桿單元link10，并打開其僅受壓特性。預應力錨栓采用精軋螺紋鋼，其錨固端和張拉端處采用節點耦合的方式模擬錨墊板和鋼板的協同變形和受力。精軋螺紋鋼的初始內力為500 kN，初始應力為620 MPa，采用初始應變的方式施加。為便于計算和分析，蓋梁采用等截面，其高度取1.5 m;外荷載根據整體結構計算結果施加于距梁端3 m的截面形心處。

3.2 錨固能力驗算

3.2.1 轉角位移固結驗算

當預應力錨栓的預緊力足以克服所有外荷載對其產生的拉力時，錨固構造的支承鋼板與墩頂預埋鋼板間將沒有相對轉動位移發生，此時錨栓的應力幾乎維持不變，基本不存在疲勞問題，此時可定義為轉角完全固結構造。但在多數情況下，受固結構造及下部結構蓋梁尺寸的影響，很難布置足夠的錨栓，因而就不能施加足夠的預緊力達到轉角完全固結的目的，此時可設計為部分轉角固結構造，即允許支承鋼板與墩頂預埋鋼板間產生部分間隙，但此時需保證錨栓的最大應力及應力幅滿足要求。

圖6 某中墩墩梁固結構造計算結果

式中，Δσmax為錨栓最大應力幅值;ΔUmax為最大脫離間隙;L為錨栓計算長度;E為錨栓彈性模量;σmax為錨栓最大應力。

根據對某中墩墩梁固結構造計算結果可以發現(見圖6)，隨著墩頂彎矩的增大，部分轉角構造的脫離間隙和脫離比例相應增大，對應精軋螺紋鋼筋應力的絕對值也相應增大，當墩頂彎矩在最不利彎矩12 000 kN·m作用下，部分固結構造脫離間隙約1.5 mm，脫離比例小于50%，接觸面未出現脫離，此時錨栓最大拉應力為760 MPa，可滿足JL32精軋螺紋鋼筋的使用要求，使結構受力安全。

3.2.2 水平抗剪性能驗算

根據墩梁固結的構造特點和工作原理，其水平抗剪承載力應由支承鋼板與墩頂預埋鋼板間的靜摩擦力來提供，不允許預應力錨栓承受剪切作用。即

對于部分轉角固結構造，固結構造的最大脫離間隙值與預應力錨栓的最大應力及應力幅值間存在如下對應關系式中，Fmax為錨固構造需要傳遞的最大水平力;∑N為錨固構造受到的軸向力，包括錨栓的預緊力及軌道梁傳遞的恒載豎向力;μ為支承鋼板與墩頂預埋鋼板間的摩擦系數。

計算結果表明，墩梁固結處的水平剪力最大值由抗震設計控制，且縱向水平剪力大于橫向水平剪力，因此，縱向地震力作用下的抗剪驗算結果見表1。

表1 水平抗剪承載力及安全系數

可以看出，中墩固結構造的抗剪安全系數在1.6～5.0之間。其中下限值為接觸面粗糙度較小的情況，實際施工時可采取措施增大接觸面的粗糙度，以保證墩梁固結構造具有較大的水平抗剪承載能力。

3.3 穩定性驗算

由于固結構造需要承受軌道梁傳遞的雙向彎矩、扭矩及水平力的共同作用，再加上錨栓施加的強大軸向力，對固結構造的穩定性影響很大，因此必須對其受力穩定性進行驗算(見圖7)。

圖7 某邊墩墩梁固結構造穩定性計算結果

可以看出，該構造設計的一階失穩模態穩定安全系數為21.7，且并未發生在固結構造處，因此穩定性滿足要求。

3.4 構件應力驗算

由于固結構造受力復雜，存在應力集中區域，需對固結構造進行詳細的應力審查，找出應力集中部位，通過優化構造，避免或改善結構的應力集中效應(見圖8)。

可以看出，該墩梁固結構造應力集中區域出現在固結區腹板及剛度過渡板處，除精軋螺紋鋼筋錨固端部出現大于200 MPa的應力集中現象外，錨固區腹板及加勁板的應力水平均在200 MPa以內;主梁頂部未出現較大的應力狀態，梁頂鋼結構應力水平在50 MPa左右，疊合層混凝土應力水平在4.0 MPa左右;固結區蓋梁頂部混凝土除預埋鋼板邊緣出現較大應力集中現象外，蓋梁頂部混凝土壓應力水平在16.2 MPa以內，可滿足設計要求。

圖8 某邊墩墩梁固結構造應力計算結果

4 結語

本文通過分析剛構體系鋼軌道梁墩梁固結構造的功能需求，提出3種構造設計方案，比較其自身優缺點及適用性，推薦采用預應力錨栓連接方案，并在此基礎上對墩梁固結構造的驗算內容及驗算方法進行了研究，得到如下結論:

1)墩梁固結構造不但要滿足傳力需求，還要具有調高、調坡的能力;

2)墩梁固結構造推薦選用構造合理、傳力機理可靠、疲勞性能優越、可實施性好的預應力錨栓連接方案;

3)在實際工程中，應建立仿真模型對墩梁固結構造進行精確的數值分析，需對其轉角位移固結能力、水平抗剪性能、穩定性及構件應力進行詳細核算，確保其傳力可靠，受力安全。

［1］跨座式單軌交通設計規范:GB 50458—2008［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008:33-41.

［2］鋼結構設計規范:GB 50017—2003［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［3］李林.重慶跨座式單軌交通高架軌道梁橋設計［J］.城市軌道交通研究，2003(6):88-93.

［4］仲建華.跨座式單軌交通在我國的應用和創新［J］.都市快軌交通，2014，27(2):1-5.

［5］賀觀.跨座式獨軌交通的特點及其局限性［J］.城市軌道交通研究，2011(1):8-10.

［6］竇仲赟.跨座式單軌簡支變連續軌道梁設計［J］.城市軌道交通研究，2009(1):64-66.

［7］楊佑發，王立福.跨座式單軌交通箱形鋼軌道梁動力特性研究［J］.橋梁建設，2004(2):12-15.

［8］王冰.昌平輕軌鋼-混凝土結合連續剛構橋設計［J］.鐵道標準設計，2014(6):70-75.

［9］李曉斌，蒲黔輝，楊永清.跨座式輕軌鋼軌道梁靜動力分析［J］.世界橋梁，2007(3):48-50.

［10］周子云，朱爾玉，呂小寅，等.鋼-混凝土簡支組合軌道梁的優化設計［J］.鐵道建筑，2004(11):17-19.

(編輯:郝京紅)

Research on Pier-Beam Consolidation in Straddle-Type Rail Transit

Xu Yanling1Li Pandao1Wang Xinshan2
(1.Beijing General Municipal Engineering Design＆Research Institute，Beijing 100082; 2.Dalian University of Technology，Dalian 116024)

Due to its good ride comfort and strong span ability，rigid frame bridge with steel track beam has been widely used in straddle-type monorail transportation.By comparing the welding connection，nested connection and the connection with prestressed anchor bolt，a new connection schemewith pre-stressed anchor bolt has been put forward which hasmore reliable power transmissionmechanism，superior fatigue performance and better implementation.On the basis of this，the anchorage capacity of the anchorage structure，the stress checking computation of the pre-stressed anchor bolt and the calculation of its stability and stress are carried out.This research can provide guidance for similar bridge design.

straddle-typemonorail transportation;rigid frame bridgewith steel track beam;pier-beam consolidation;gap;stress amplitude

U231

A

1672-6073(2016)02-0066-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.015

2015-04-16

2015-06-09

徐艷玲，女，碩士，從事橋梁設計工作，xuyanling@bmedi.cn