跨座式單軌大跨度連續鋼桁軌道梁研究

李先婷 高靜青 劉永鋒 郭子煜 趙 博

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

隨著我國城市化進程的不斷加快,軌道交通已成為各個城市解決城市交通擁堵問題的重要途徑[1]。跨座式單軌作為一種新興的軌道交通方式,具有運量適中、占地面積小、建設投資費用低、噪聲及各種污染低、對城市空間影響小等優點,正越來越受到人們的關注[2]。

從目前國內外跨座式單軌大跨度橋型方案實例來看,跨度30～48 m 多采用簡支鋼混結合軌道梁,跨度48～65 m 多采用連續鋼-混結合軌道梁,跨度大于65 m 時,一般采用梁上托梁的形式[3]。然而,梁上托梁整體結構建筑高度較高,在一些有高程要求的跨越點使用受限,景觀效果較差;另外,軌道梁僅作為單軌車輛的行走軌道,不參與下方托梁的結構受力[4],導致工程造價相應增加。

為此,提出一種新型跨座式單軌結構,并基于蕪湖市軌道交通2 號線一期工程跨越扁擔河及蕪宣高速公路工程實例開展研究,以期解決大跨單軌橋型結構跨度大于65 m 時的難點。

1 工程概況

蕪湖市軌道交通2 號線一期采用龐巴迪制式跨座式單軌,橋位處線路以42°上跨扁擔河及蕪宣高速公路。蕪宣高速公路現狀寬度為25 m,雙向四車道;但其已開展拓寬設計工作,拓寬后為雙向八車道,寬度為42 m,擬采用(52+80+52) m 連續鋼桁軌道梁(直線、線間距4.6 m)跨越。

2 主要技術標準

正線數目:雙線;

車輛運營速度:80 km/h;

平面直曲線:直線;

線路縱坡:平坡;

列車類型:CMR2 型車,初近遠期4/6/6 輛編組;

極端溫度:極端最低氣溫為-13.1 ℃,極端最高氣溫為41 ℃;

設計基本風壓:500 Pa;

地震動峰值加速度值:Ag≤0.1g。

3 結構設計

連續鋼桁軌道梁采用(52+80+52) m 連續鋼桁梁結構,計算跨度為(51.35+80+51.35) m,梁全長183.8 m。桁高5.7 m,桁寬4.6 m,節間長度為3.575 m、3.675 m 和3.250 m。連續鋼桁軌道梁布置見圖1～圖3。

圖1 主橋立面布置(單位:mm)

圖2 中支點處橫斷面(單位:mm)

圖3 一般橫斷面(單位:mm)

3.1 主桁

(1)主桁弦桿均采用箱形截面,板件間設隔板。上弦桿外高 1 880 mm,頂板與底板之間外高1 860 mm,腹板外寬550 mm,腹板外側設置穩定軌和導向軌;下弦桿外高650 mm,外寬550 mm。

(2)斜腹桿采用H 形截面和箱型截面。H 形截面腹板上設置加勁肋,H 形截面外高550 mm,翼緣寬度為440 mm 和240 mm,翼緣厚14～28 mm,腹板厚12～20 mm,加勁肋寬100 mm,厚10 mm;箱型桿件翼緣尺寸為400 mm×16 mm,腹板尺寸為454 mm×16 mm。

(3)豎桿采用H 形截面,腹板上設置加勁肋。H形截面外高550 mm,翼緣寬240 mm,翼緣厚14 mm,腹板厚14 mm,加勁肋寬100 mm,厚10 mm。

(4)腹板外側穩定面鋼板,板厚16 mm,穩定軌支撐板厚12 mm。

(5)主桁上、下弦桿節點均采用整體節點形式。除上弦桿頂板為焊接外,其余均采用M24 高強度螺栓拼接。

(6)主桁以不超過4 個節間作為1 個節段,節段內采用全焊接,節段與節段之間采用M30 高強螺栓插入式拼接。

3.2 隔板

(2)上弦桿內隔板與頂板、底板及腹板采用焊接[6]。

(3)支座設于支點隔板下方,支承肋下緣熔透焊在下弦桿底板上[7]。

(4)每個節段兩端的封閉隔板不設過人孔,其余隔板均設過人孔。

3.3 聯結系

聯結系包含上平聯、下平聯和橫向聯結系。

上、下平聯斜桿為工形截面,截面高260 mm,上、下平聯橫撐和橫向聯結系桿件為工形截面,除支點處橫撐截面外高630 mm 外,其余截面高260 mm。

3.4 防落梁措施

為保證梁部結構在地震力作用下的安全性能,本橋設置縱、橫向防落梁措施[8]。防落梁措施通過在下平聯端橫撐底設置鋼柱、在墩柱蓋梁頂設置鋼擋塊實現;梁底鋼柱扣于蓋梁頂鋼擋塊上方,并在縱、橫橋留有相應的活動量,以保證梁體常時正常伸縮[9];地震時,墩頂鋼擋塊外側面作用于梁底鋼柱內側面,以實現對梁體的限位[10]。防落梁措施設置于下平聯支點橫撐中部下方,共設置4 處。

4 結構分析

采用通用有限元分析計算軟件Midas Civil 對鋼桁梁結構進行模擬[11]。計算模型見圖4。

圖4 有限元分析模型

4.1 桿件強度、疲勞應力

主桁桿件疲勞計算參考TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》第4.3 條,疲勞容許應力幅類別為XI,疲勞容許應力幅為71.9 MPa。經計算,滿足規范要求[12]。

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桿件計算強度、桿件疲勞應力計算結果見表1。

表1 桿件強度、疲勞應力匯總 MPa

4.2 活載豎向撓度

根據GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》規定,在靜活載作用下,梁體的豎向撓度容許值為L/1 000。計算結果見表2。

表2 活載豎向撓度匯總

4.3 梁體水平撓度

在“主力+附加力”作用下,梁體橫向位移不應超過其跨度的1/1 000,計算結果見表3。

表3 梁體水平撓度匯總

4.4 橫向傾覆穩定系數

橫向傾覆穩定系數匯總見表4。

表4 橫向傾覆穩定系數匯總

4.5 支反力

支座反力匯總見表5。

表5 支反力匯總 kN

5 車橋耦合分析

對全橋所有構件及樁基礎均采用空間梁單元建模[13],模型見圖5。

圖5 全橋有限單元劃分示意

根據前述橋梁計算模型,對其自振特性進行計算與分析,結果見表6～表9。

表6 橋梁自振特性計算結果

表7 橋梁振動位移最大值計算結果匯總

表8 列車動力響應最大值計算結果匯總

表9 車-橋系統動力響應評價結果匯總

綜上所述,該連續鋼桁軌道梁橋設計方案具有良好的動力特性及列車走行性[14],列車通過橋梁時的安全性和乘坐舒適性均滿足要求。

6 施工方法

采用兩側不等跨墩底轉體施工,轉體長度為(63.49+51.9) m。施工流程:施工準備→施工樁基、承臺、轉體墩及其他永久墩,為避免轉體就位沖突,大里程邊墩暫時施工至設計高程以下不小于0.7 m→搭設臨時拼裝平臺,同時在小里程側沿線路方向,在拼接位置架設臨時墩→在大里程的拼裝平臺上架設轉體部分鋼梁,先拼裝E12～E16 節段,安裝支座、墩頂臨時固定措施,安裝梁、墩間臨時斜撐,再拼裝完成其他節段,在小里程的臨時墩上架設剩余部分鋼梁→轉體部分鋼梁拼裝完成后,進行配重[15],稱重→拆除轉體段拼裝平臺,稱重,實測其重心位置和摩阻系數,必要時進行配重→正式轉體前進行試轉動→進行正式轉體,合計將轉體結構逆時針轉體42°后就位→轉體到位后,調整懸臂端水平位置至橋梁中軸線處,豎向高程至設計高程,臨時緊固轉體側梁端,封固轉盤,使梁體線形與設計線形一致→拼裝合龍段鋼梁,全橋合龍,拆除轉體墩頂臨時固結,拆除梁、墩斜撐,澆筑大里程邊墩至設計高程→安裝支座等附屬裝置,全橋施工完畢。

施工過程布置見圖6,施工過程實景見圖7,成橋實景見圖8。

圖6 施工過程布置(單位:mm)

圖7 施工過程實景

圖8 成橋實景

7 主要技術經濟指標

主要技術經濟指標見表10。

表10 主要技術經濟指標

8 結論

(1)將連續鋼桁梁應用于大跨度跨座式單軌結構,其上弦桿兼作跨座式單軌的走行軌道,可有效降低結構高度、節省鋼材。

(2)為解決同時跨越既有高速公路、河流的難題,將轉體施工技術應用于跨座式單軌交通建設領域,可大幅降低跨座式單軌建設對既有交通的影響。

(3)為跨越河流、高速鐵路、高速公路的大跨度橋梁提供一套可靠的設計和施工方法,進一步擴大輕型跨座式單軌交通的使用范圍。