跨座式單軌2×70 m 組合轉體橋設計創新

焦亞萌 劉永鋒 趙 博

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

跨座式單軌是一種通過單根軌道來支撐、穩定和導向,車體騎跨在軌道梁上運行的鐵路[1-2],具有適應性強、噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強等優點[3]。由于軌道梁本身結構尺寸較小,對應不同要求的跨越點,可采用不同的結構形式[4]。國內外眾多學者對跨座式單軌的橋梁結構形式進行研究,劉永鋒對重慶輕軌PC 軌道梁進行了系統地設計總結[5];竇仲贊介紹一種簡支變連續的軌道梁方案,其跨度達到30 m[6];邱靖權等結合某(40+60+40) m 懸掛式連續鋼軌道梁橋設計,分析該橋在不同荷載組合下的應力與變形;并研究比較各截面參數對結構強度、剛度以及用鋼量的影響[7]。一般情況下,對于超過50 m 的大跨節點,常采用雙層復合結構(即梁上托梁的形式)[8],作為橋梁整體承力結構,而單軌車輛騎跨的軌道梁,則只承受單軌列車的活載[9],通過抗拉支座和墊石,將列車活載傳遞給托梁,并不參與整體受力[10]。根據跨越點跨度、景觀及經濟性,可采用連續梁、連續剛構、連續梁拱橋、斜拉橋等結構形式[11-13]。如我國重慶單軌的魚洞長江大橋、新華立交橋等均采用梁上托梁的結構。該種結構受力簡單,但總體結構較高,經濟性差。針對以上情況,結合蕪湖軌道交通2 號線上跨寧安城際2×70 m轉體組合梁,介紹一種適用中等跨徑的新型組合軌道梁結構。

1 工程概況

工程位于蕪湖軌道交通2 號線與寧安客專交匯處,橋址區地震基本烈度6 度,地震動峰值加速度為0.075g。一月平均氣溫2.9℃,極端最低氣溫-13.1 ℃,七月平均氣溫28.7 ℃,極端最高氣溫為41 ℃。地層主要為粉質黏土、泥質砂巖、凝灰巖。

交叉處孔跨布置為2-70 m T 構鋼混組合梁,全長140 m。平面位于直線上,立面位于半徑3 000 m 的豎曲線上,關于中墩對稱,兩側設5‰的人字坡,全橋立面見圖1。

2 設計構思

本線跨越寧安客專后,線路沿北京路繼續向東敷設,以R=100 m 的小半徑轉向北后進入弋江路站,且距離車站較近,需采用大坡度降低軌面高程。小半徑加大坡度會極大影響乘車舒適度,如能將坡度優化至3%,將有效改善乘車舒適性[14-15]。

常規的梁上梁體系見圖2,由PC 軌道梁、支座、墊塊構成,軌面到梁頂面總高度為3.2 m。因結構較高,線路縱坡無法降至3%,不利于軌道線形及行車的舒適性。因此,可從結構高度上考慮優化。

圖2 常規梁上梁結構(單位:mm)

為了解決該問題,最初考慮采用混凝土軌道梁與托梁全固結的形式。結構斷面見圖3。經過初步試算,軌道梁混凝土應力超標,故予以舍棄。

圖3 混凝土軌道梁固結方案斷面(單位:mm)

在混凝土軌道梁固結方案不可行的情況下,考慮采用鋼梁來代替混凝土軌道梁,最初方案如圖4 所示,該方案基本可以實現設計意圖,使鋼軌道梁參與整體結構受力,但施工混凝土托梁時需要預埋鋼軌道梁,難度較大;如采用鋼軌道與預埋段分開,后期再焊接的方式,線形調整又很困難。因此,需要對該方案進行優化。

圖4 鋼軌道梁固結方案斷面(單位:mm)

最終采用如圖5 所示結構,兼顧了材料、結構,施工可行性等多方面因素。該方案上部軌道梁為鋼梁,下部為混凝土托梁,兩者之間通過承軌臺進行后期連接。軌道梁和托梁相對獨立,在混凝土托梁施工時,可同步加工制造軌道梁,通過調整兩者直接結合的時間,來調整兩結構分擔的恒載和減小二者之間的收縮徐變力。

圖5 斷面布置(單位:mm)

3 結構設計與研究

3.1 主梁

主梁由下部混凝土托梁和上部鋼軌道梁兩部分組成。混凝土托梁采用變高度單箱單室直腹板箱梁結構,中墩處梁高6.9 m,梁端處梁高3.2 m。梁頂寬9.6 m,底板寬5.6 m,頂板35 cm,兩側懸臂板長2.0 m,懸臂板端部厚20 cm,根部厚60 cm。變高段底板厚35～180 cm。腹板厚度分兩次過渡,為50～75～100 cm。全梁設置3 道橫隔板,中支點處橫隔板厚340 cm,邊支點處端橫梁厚150 cm,3 處橫隔板均設有過人洞。

鋼軌道梁采用總高1.5 m,外寬0.55 m 箱形截面。頂板厚24 m m,底板厚24 mm,腹板厚16 mm。每間隔1.25 m 設隔板,每個鋼梁節段兩端采用封閉隔板,隔板之間采用氣密防腐。腹板外側設置穩定面及導向面,板厚16 mm。頂板下方中部設置1 道縱肋,板厚20 mm。

有限元計算中,鋼軌道梁和混凝土托梁采用雙單元模擬,兩者之間采用彈性連接。建立分析模型見圖6。

圖6 有限元分析模型

鋼軌道梁和混凝土托梁應力計算結果見表1。

表1 結構應力 MPa

鋼軌道梁和混凝土主梁之前通過承軌臺固結,承軌臺截面為矩形截面,寬1.3 m,高0.35 m。承軌臺由梁端向跨中6.1 m 處設置1 道10 cm 斷縫,中間段按順橋向每2.4 m 設置1 道10 cm 斷縫,用于橋面排水。

組合結構中,由混凝土托梁與鋼軌道共同作用承擔外荷載,對二者的抗彎剛度關系進行計算,結果見表2。

表2 截面抗彎剛度

分別計算組合結構和各自獨立結構在活載作用下的撓度,結果見表3。

表3 活載結構撓度 mm

由表1、表2 可知,混凝土托梁對組合結構的剛度貢獻要遠遠大于鋼軌道梁。組合結構的荷載主要由混凝土托梁承擔。

3.2 承軌臺連接構造

鋼軌道梁與混凝土托梁協同受力,類似于結合梁,不同的是,本橋鋼結構位于上方,受日照等溫度影響較大。因此,兩者之間結合部的連接構造設計十分關鍵。本橋承軌臺的設計中,考慮開孔板剪力件與剪力釘兩種連接構造方案。

(1)開孔板剪力件方案

每個鋼軌道梁下方腹板各設置1 道16 mm 厚鋼板,鋼板上設置兩排孔,孔徑50 mm,孔間距140 mm。每個孔內橫穿φ16 mm 的鋼筋。立面布置見圖7。

圖7 承軌臺開孔板連接件方案(單位:mm)

(2)剪力釘連接方案

采用19 mm×250 mm 的剪力釘,橫向間距100 mm,立面布置見圖8。

圖8 承軌臺剪力釘連接方案(單位:mm)

以上兩種形式均可以滿足受力要求,但開孔板剪力件方案需設置2 道抗剪鋼板,將承軌臺橫向分隔為3 部分,不利于后期承軌臺混凝土澆筑。因此,決定選用剪力釘連接方案。

考慮溫度荷載下梁端承軌臺需要承受較大剪力,相應在梁端加強了剪力釘和混凝土梁預埋鋼筋的配置。

本橋中托梁頂結構總高度為1.85 m,相較于常規梁上托梁結構(3.2 m 高度)減少1.35 m,大幅改善了線路行車條件。

3.3 主墩及基礎

中墩墩頂設轉體施工轉盤,采用邊長4.503 m 正六邊形結構,轉盤厚2 m,轉盤底由圓曲線漸變至邊長2.136 m 的正六邊形結構,墩身曲線段高8 m,等截面段高14.5 m。中墩采用12 根φ1.5 m 摩擦樁,樁長45 m。

4 施工方法

為減小對所跨越鐵路的運營影響,確保施工安全,混凝土托梁采用“懸拼預制+轉體”施工方法。

混凝土托梁采用掛籃懸臂節段現澆,全橋共分0～17 號節段,梁體全部對稱掛籃懸臂澆筑,不再設置兩端合龍段。轉體完成后,將梁端起頂至設計高程,安裝邊支座,再進行封固球鉸,墩梁固結,完成混凝土托梁施工。最后分段吊裝鋼軌道梁,澆筑承軌臺,將鋼軌道梁與混凝土托梁結合為整體。為減小鋼軌道梁和混凝土托梁之間的收縮徐變,要求鋼軌道梁與混凝土托梁結合前,混凝土梁就位時間不少于90 d。

全橋主要施工步驟如下:施工基礎、承臺—施工橋墩—安裝球鉸—依次懸臂澆筑0～17 號節段,張拉對應預應力—稱重—試轉—正式轉體—邊墩頂梁,安裝支座—封固球鉸,墩梁固結—吊裝各段鋼軌道梁—鋼軌道梁焊接連成整體—調整線型,澆筑承軌臺。

5 技術創新

本橋型設計中,軌道梁不再采用傳統的梁上托梁的簡支結構,而采用與托梁縱向全橋結合的方式,在其就位安裝后,作為組合結構的一部分參與體系整體受力,采用拉壓性能更好的鋼結構。

取消原簡支軌道梁兩端下的1.4 m 高的“承臺+抗拉支座”設置,改為高度僅0.35 m 的通長承軌臺結構,將鋼軌道梁與托梁結構縱向通長結合,降低整體結構高度。因承軌臺結構寬度有限,為避免其承受較大彎曲應力,承軌臺縱向每相隔2.5 m 設置1 道斷縫,使承軌臺不參與整體結構的抗彎受力,僅將鋼軌道梁和托梁二者結合,承擔二者之間的剪力。

本結構的軌道梁與承軌臺重量約為常規梁上梁二期恒載重量的75%,可在設計中進一步優化托梁梁高,以降低線路高程。

6 結論

以蕪湖市軌道交通2 號線一期工程跨寧安城際2×70 m 轉體T 構組合橋工程為依托,對轉體法施工的大跨度跨座式單軌組合橋進行設計研究。

提出一種新型跨座式單軌組合橋結構形式,采用鋼軌道梁與混凝土托梁的組合結構,取消常規結構兩者之前的支座墊石,替代為全固結承軌臺結構,使混凝土托梁與鋼軌道梁協同參與全橋受力,充分利用材料性能的同時,有效降低軌道梁結構高度,為解決大跨度單軌結構線路高程受限提供了一種新思路。