跨座式單軌連續鋼-混結合軌道梁負彎矩區抗裂性能研究

郭子煜

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌PC 軌道梁標準跨度一般為20～30 m[1-2]。需要大跨度時可采用簡支鋼混結合軌道梁,跨度一般為35～50 m。當跨度大于50 m 時,可采用連續混凝土梁上敷設普通PC 軌道梁的方案,但結構高度大幅增加,既不經濟又不美觀[3]。因此,需要結合跨座式單軌車輛走行部的特點及橋梁結構形式,研究一種既輕盈美觀又經濟適用的軌道梁結構形式。

連續鋼-混結合軌道梁是一種在鋼梁的頂部增加混凝土板、與鋼結構形成整體、共同參與受力的橋梁結構。該結構既顧及跨座式單軌車輛橡膠走行輪的行車舒適性和耐久性、增加走行時的摩擦力[4]、降低噪聲的要求[5],同時利用合理的橋梁結構形式減小結構體量、提升景觀、加大軌道梁的跨越能力。目前,鋼-混結合梁在公路、鐵路、鋼輪鋼軌的城市軌道交通中應用廣泛,但是跨座式單軌系統中尚無應用。為解決防滑、噪聲、跨度需求等問題,以下對跨座式單軌系統中應用鋼-混結合梁進行深入研究。

以1 聯(40+60+40) m 連續鋼混結合軌道梁為例,計算跨度(39.355+60+39.355) m,梁全長139.83 m,軌道梁采用單箱梁,兩榀軌道梁之間采用橫梁和下平聯連接(見圖1)。主梁截面中支點總高3.2 m,鋼結構采用外高2.84 m、外寬0.55 m 箱形截面。邊支點截面總高度2.6 m,鋼結構采用外高2.24 m,外寬0.55 m 的箱形截面。

2 面臨難題

2.1 混凝土橫向尺寸受限

傳統地鐵、輕軌鋼-混結合梁的截面形式通常為混凝土橋面板(作為橋面設施的承載面),橫向寬度較大,高度在300 mm 左右,全部位于受壓區,以充分發揮混凝土的抗壓能力(見圖2)。

圖2 傳統地鐵、輕軌斷面

受走行部的限制,跨座式單軌的鋼-混結合梁的梁體寬度一定,無法充分發揮混凝土板的抗壓能力(見圖3)。

圖3 單軌鋼-混結合梁斷面

2.2 中支點負彎矩區混凝土受拉易開裂

在連續鋼-混結合梁中支點負彎矩區范圍內,由于混凝土體量小,且經常受車輪直接碾壓,較容易開裂。因此,如何控制負彎矩區混凝土裂縫的發展,提高其耐久性成為必須解決的難題(見圖4)。

圖4 單軌鋼-混結合梁中支點混凝土開裂示意

3 常規解決方案

針對單軌連續鋼-混結合梁的中支點范圍混凝土所受拉應力較大容易開裂等問題,通常解決方案為鋼-混結合面采用普通剪力釘,并采用增加鋼筋面積的方式限制裂縫寬度。以(40+60+40) m 連續鋼-混結合梁為例,采用此方案,需要在中支點范圍內的混凝土中配置28 根φ32 mm 鋼筋。在混凝土截面為700 mm(寬)×360 mm(高)的范圍內配置如此多的鋼筋,將導致混凝土難以澆筑。

圖5 中支點負彎矩區常規配筋方式(單位:mm)

4 創新性措施

4.1 負彎矩區采用抗拔不抗剪連接件

一般情況下,傳統的栓釘連接件可以保證鋼與混凝土之間的緊密結合[6],但對于負彎矩區,鋼梁內拉應力會通過栓釘傳遞到混凝土中,使得混凝土承受較大的拉應力,并導致混凝土開裂。而新型抗拔不抗剪連接件通過在普通栓釘或者T 形連接件外包裹一層低彈模材料,使得鋼與混凝土之間無法傳遞剪應力,釋放了組合結構負彎矩區混凝土板中的拉應力(見圖6)。

圖6 新型剪力釘與傳統剪力釘對比示意

將該新型抗拔不抗剪連接件應用于跨座式單軌連續鋼-混結合梁的負彎矩區,可有效降低拉力的峰值,顯著提升混凝土抗裂性能。經過建模計算和對比分析,采用該剪力釘可將拉力峰值降低35%左右。

4.2 抗拔不抗剪連接件的布置

根據連接件的形式,將全橋劃分為5 個區段(見圖7)。其中,A、C、E區段布置普通栓釘連接件,B、D段布置新型抗拔不抗剪連接件。

圖7 連接件區段劃分(單位:mm)

普通栓釘連接件橫向間距為150 mm,每橫排布置4 個,縱向間距為150 mm。抗拔不抗剪連接件的具體布置形式見圖8,在中支座左右兩端各12 m 范圍內布置抗拔不抗剪栓釘連接件,連接件橫向間距為150 mm,每橫排布置4 個;縱向間距為250 mm。每隔4 m 布置1 排抗拔不抗剪T 形連接件,每個負彎矩區共計5 排,連接件橫向間距230 mm,每橫排布置3 個。

圖8 剪力釘布置示意(單位:mm)

4.3 施工工序優化

根據梁段的劃分,將施工工序分為6 個階段:①架設臨時支撐,吊裝組合梁,鋼梁合龍;②澆筑正彎矩區后澆段;③拆除臨時支撐;④支座頂升;⑤澆筑負彎矩區混凝土;⑥落梁,成橋。

通過優化施工工序以及支座頂升方法,對負彎矩區混凝土施加預壓應力[7]。可將中支點混凝土拉力降低10%左右。

5 優化后混凝土鋼筋配置

對于負彎矩區的混凝土,按普通鋼筋混凝土構件設計,經計算,負彎矩混凝土最不利位置處承受彎矩為66.76 kN·m,軸拉力為1492.5 kN,縱向共配置22 根φ25 mm 鋼筋,較原設計減少52%,有效降低混凝土澆筑難度。配筋情況見圖9。

圖9 施工布置示意

圖10 優化后負彎矩區截面配筋示意(單位:mm)

6 整體計算分析

(1)采用通用設計專用軟件Midas Civil 2015 建立全橋計算模型。

(2)主要材料

鋼結構材質采用Q345qD 鋼,彈性模量為2.10×105MPa,膨脹系數為1.2×10-5/℃,容重78.5 kN/m3。

主橋橋面采用C60 混凝土,彈性模量為3.65×104MPa,膨脹系數為1.0×10-5,容重25 kN/m3。

(3)設計荷載

①結構自重

鋼結構構造系數通過調整材料容重實現,采用124.5 kN/m3。

②附屬設施荷載

包括檢修救援疏散通道自重及通信、信號、電力、接觸軌等四電設備荷載;二期恒載集度取5.5 kN/m(單線)。

③混凝土收縮和徐變

混凝土收縮按降溫15 ℃計算。同時考慮徐變的影響,整體分析中,計算鋼與混凝土的彈模比強度時,取n=15;計算活載引起的變形時,取n=10;分析溫度荷載時,取n=6。

④動力系數

按μ=25/(50+L)進行計算。

⑤橫向搖擺力

1 個轉向架荷載取設計軸重的12.5%。

⑥列車制動力

取豎向靜活載的15%。

⑦風荷載

基本風壓取500 Pa。

⑧溫度荷載

鋼結構整體升溫30 ℃,混凝土整體升溫15 ℃;鋼結構整體降溫35 ℃,混凝土整體降溫20 ℃。

(4)計算結果

根據GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》,對(40+60+40) m 連續鋼混結合軌道梁的整體結構進行計算,結果見表1～表4。

表1 活載豎向撓度

由表1～表4 可知,連續鋼-混凝土結合軌道梁的各項靜力指標滿足規范要求,且具有較好的動力特性及列車走行性。當列車通過橋梁時,安全性和乘坐舒適性均滿足要求。

表2 鋼結構計算結果 MPa

表3 混凝土鋼筋計算結果

表4 車-橋系統動力響應評價結果匯總

7 抗拔不抗剪連接件技術原理

鋼混結合梁之間需要連接件傳遞混凝土和鋼梁之間的力,最常用的為栓釘連接件。栓釘連接件焊接到鋼梁上后,澆筑混凝土橋面板,可以承擔鋼梁與混凝土之間縱向力和上拔力。

栓釘連接件的抗剪作用是導致組合結構負彎矩區混凝土板產生拉應力的根本原因,而其抗拔作用對防止混凝土板的分離和掀起,進而保障結構整體性和界面耐久性具有重要意義。因此,保留傳統連接件的抗拔作用并取消其抗剪作用,使鋼-混凝土界面在不發生分離的條件下產生自由滑動,是一種釋放混凝土板拉應力、降低混凝土板開裂風險的有效途徑,這種新型連接技術被定義為“抗拔不抗剪連接”技術(Uplift-Restricted and Slip-Permitted Connection Technique,簡稱URSP Connection Technique)。“抗拔不抗剪連接”體現了傳統以“抗”為主的抗裂理念向“抗放結合”新理念的轉變[8-10]。

蕪湖連續鋼-混結合梁上共采用兩種形式的抗拔不抗剪剪力釘:螺桿式連接件和T 形連接件。

(1)抗拔不抗剪螺桿式連接件

該連接件的主體由螺桿和螺帽組成,其材質和傳統栓釘連接件相同,只是在螺桿和螺帽周圍增加低彈模材料,以達到不限制混凝土與鋼梁之間位移的目的。

(2)抗拔不抗剪T 形連接件

該連接件的主體為T 形鋼,由鋼翼緣和1 塊較薄的鋼腹板焊接而成,T 形鋼預先在鋼結構加工廠焊接于鋼梁上翼緣上,在T 形鋼周圍增加低彈模材料,此類型連接件在不影響混凝土與鋼結構之間縱向滑移的同時,可限制橫向滑移,起到提高橫向剛度的效果。

8 結語

連續鋼-混結合軌道梁技術在國內跨座式單軌系統中首次使用,在傳統鋼-混結合梁計算方法的基礎上,通過抗拔不抗剪連接件、施工工序優化、調整剪力件的布置方式等技術,有效改善負彎矩區受力狀態、降低負彎矩區的配筋率、簡化施工工藝、提高材料的利用效率。因此,該種結構形式在滿足跨度、受力要求的同時,能夠滿足耐久性要求,為提高梁軌合一結構的跨越能力、優化結構體量、提升景觀效果方面發揮重要作用。