簡支鋼-混結合梁在跨座式單軌交通中的設計應用與創新

楊永明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

從經濟、合理角度考慮,跨座式單軌軌道梁一般以20 m 或22 m 的跨徑作為標準橋跨,最大跨度可達25 m[1-2]。但在一些路口、特殊障礙物等位置經常需要布設更大跨徑的橋跨結構。簡支鋼-混結合梁具有承載能力大、自重相對輕、材料受力合理等優點,且具有較大的跨越能力,該結構形式應用于跨座式單軌交通系統中,能夠有效改善以往鋼軌道梁方案用鋼量大、振動噪聲高、車輪與梁體之間容易打滑等問題[3-4]。已有部分學者對鋼-混結合軌道梁結構進行相關研究,寇培培對鋼-混結合軌道梁在跨座式單軌交通中的適用范圍進行研究[5];劉一平等認為在跨越路口處適合采用25～40 m 鋼-混結合軌道梁[6];王超冉等對鋼-混結合軌道梁的車橋耦合動力特性進行分析[7]。然而,以往研究中少有對梁型方案和細節設計創新方面的具體研究,以下基于蕪湖市軌道交通工程,對鋼-混結合軌道梁的技術創新和應用情況進行深入研究。

2 結構簡介與設計應用

2.1 常規結構形式梁型方案

常規結構形式簡支鋼-混結合梁總體結構布置形式為:每線設置1 榀軌道梁,兩線軌道梁之間采用橫梁和下平聯連接,形成整體“U”形結構,線間距范圍一般為4.2～5.3 m[8]。常規結構形式簡支鋼-混結合軌道梁1/2 平面、斷面示意分別見圖1、圖2。

圖1 常規結構形式1/2 平面布置

圖2 常規結構形式斷面

(1)主梁

主梁采用鋼-混組合結構,上部導向面范圍為混凝土結構,下部鋼結構采用大高寬比鋼箱梁,混凝土與鋼結構之間采用剪力釘連接[9]。

穩定面結構由面板、水平支承板和豎向支承板組成,布置于腹板外側面相應位置處。穩定面面板、穩定面水平支承板與主梁腹板所形成密閉空間極為狹小,為提高結構的耐久性,各主梁節段兩側端部豎向支承板做密封處理,以保證密閉空間范圍實現氣密防腐[10]。

直線梁主梁鉛直布置,與橫梁軸線垂直;曲線梁設置超高[11],主梁傾斜并與橫梁軸線形成一定的斜交角度。

一般情況下,主梁沿順橋向分為3 個節段,節段間采用頂板焊接、腹板和底板栓接的混合連接方式。

(2)隔板

為保證箱梁抵抗畸變、翹曲的能力及結構的橫向傳力,主梁箱內需設置隔板。隔板共計5 種類型,分別為一般位置隔板、平聯接頭位置隔板、橫梁位置隔板、節段端部封閉隔板及支點隔板。每個梁段兩端的隔板采用封閉隔板,使梁段中部實現氣密防腐。

(3)橫梁

主梁每間隔4 個隔板間距在兩線梁間設置橫梁。橫梁分為支點橫梁和普通橫梁兩種,橫梁采用工字形截面,曲線梁橫梁宜采用等高度截面。

橫梁在工廠單獨制造,運至工地后再與主梁連成整體。橫梁頂板、腹板、底板與主梁均采用M24 高強度螺栓連接。

(4)下平聯

為增強梁體的抗彎和抗扭剛度,在兩線主梁之間下部設置下平聯,下平聯桿件可采用焊接T 形截面或焊接工字形截面。一般情況下,其平面布置形式見圖1。

(5)混凝土橋面

混凝土橋面寬度采用相應單軌制式的標準梁寬,混凝土厚度結合導向面軌跡線范圍及計算確定。混凝土頂面兩側各設置20 mm×20 mm 的倒角,按GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》規定,橋面混凝土強度等級不宜低于C40,設計中一般采用C50。橋面鋼筋整體綁扎,頂面、側面保護層的確定應考慮車輪磨耗的影響。橋面混凝土一般斷面布置見圖3。

圖3 橋面混凝土一般斷面布置

(6)支座

簡支鋼-混結合軌道梁兩線主梁通過下平聯和橫梁連接形成整體,支座采用球形鋼支座[12],每孔梁設置固定支座、橫向活動支座、縱向活動支座、多向活動支座各1 套。常規結構形式簡支鋼-混結合軌道梁支座布置見圖4。

圖4 常規結構形式支座布置

(7)指形板安裝預留槽口

相鄰軌道梁間的梁縫連接處設置指形板,走行面及導向面位置指形板預埋件預埋于橋面混凝土內,穩定面位置指形板與主梁腹板栓接,主梁腹板梁端預留螺栓孔。同時,在穩定面安裝位上方預留安裝槽口,便于指形板安裝。預留槽口布置示意見圖5。

圖5 指形板安裝預留槽口示意(單位:mm)

(8)應用情況

常規結構形式簡支鋼-混結合軌道梁已在安陽旅游示范線、蚌埠單軌產業園試驗線、桂林旅游專線試驗線、蕪湖軌道交通1 號線和2 號線一期等項目設計中大量采用,且均已完成結合梁的架設安裝施工。

2.2 正交異性板整體式下平聯梁型方案

蕪湖市軌道交通1 號線采用25 m 簡支鋼-混結合軌道梁跨越淮南線鐵路,采用正交異性板[13]整體式下平聯梁型方案,可增強結構的整體性和密閉性,具備整體起吊安裝條件,降低對鐵路線路的影響。

(1)整體式下平聯

整體式下平聯由懸臂橫梁、中間橫梁、外側整體上翼板和中間整體上翼板組成。主梁每間隔兩個隔板間距在兩主梁間設置中間橫梁、在主梁外側設置懸臂橫梁。橫梁采用倒T 形截面,中間橫梁為等高度截面,懸臂橫梁為變高度截面。

梁體在橫橋向上分為3 個制造段,懸臂橫梁、外側整體上翼板與主梁共同制造,中間橫梁及中間整體上翼板單獨制造,運至工地后再與主梁部分連接成整體。整體上翼板沿橋梁縱向設置板式加勁肋。正交異性板整體式下平聯梁型方案1/2 平面、斷面示意分別見圖6、圖7。

圖7 整體式下平聯梁型方案斷面

(2)橋面混凝土施工

由于鋼結構部分為整體吊裝,吊重較大,故采用在梁跨吊裝就位后于橋面上澆筑橋面混凝土的施工方案。

(3)橋面排水設計

本梁跨越淮南線鐵路,橋面需采用集中排水形式。在橋面四周邊緣設置150 mm 高擋水鋼板,避免雨水從橋梁邊緣泄出,同時在兩側梁端橋面邊緣位置設置排水孔,通過橋梁縱坡及豎曲線實現梁端橋面排水。

2.3 大位移伸縮裝置處梁型方案

當跨座式單軌交通與公路或鐵路在大跨徑工點分層共建時,單軌交通通常采用“雙層復合”結構形式[14],即單軌軌道梁布置在大跨長聯的托梁之上。由于托梁為長聯結構,在兩聯托梁的交界處需要布置大位移量伸縮裝置[15],為協調變形,在對應位置的單軌線路中也需要布設具有相應伸縮變形能力的軌道梁專用的伸縮裝置,而在專用伸縮裝置兩側需要布設不同于常規結構形式的結合軌道梁梁型。如汕頭市軌道交通6 號線公軌共建段預留工程中,就布設多孔該梁型的軌道梁結構。

(1)主梁

該梁型方案在總體布置上仍與常規結構形式梁跨一致,但受伸縮裝置的影響,主梁改由鋼-混結合梁段和鋼梁段組合而成,鋼-混結合梁段在遠離伸縮裝置一側,鋼梁段在靠近伸縮裝置一側。鋼梁段頂板中部下方設板式縱向加勁肋,以加強鋼梁段頂板走行面的局部剛度。伸縮裝置處梁型方案立面布置見圖8。

圖8 伸縮裝置處梁型方案立面布置

(2)細節構造

為確保鋼-混結合梁段與鋼梁段的可靠連接,過渡范圍設置PBL 剪力鍵[16]及上水平板構造。在過渡范圍加勁肋板上開φ40 mm 圓孔,圓孔內穿φ16 mm 鋼筋;上水平板下緣焊接剪力釘,上水平板與交界面立板焊連,避免鋼、混交界面直接受力出現裂縫。上水平板在頂面及兩側面與混凝土的接觸位置預留20 mm×20 mm 槽口,混凝土澆筑完成后,采用柔性防水材料填實、填滿。過渡范圍構造立面見圖9。

圖9 過渡范圍構造立面

鋼梁段在梁端設置上、下安裝手孔,用于伸縮裝置的螺栓安裝與更換,伸縮裝置通過端立板與結合梁主梁連接。鋼梁段主梁斷面示意、伸縮裝置與鋼梁段連接見圖10、圖11。

圖10 鋼梁段主梁斷面

圖11 伸縮裝置與鋼梁段連接

2.4 倒T 形截面單線梁梁型方案

眾所周知,單榀簡支鋼-混結合軌道梁橫向剛度小于與其跨徑相同的PC 軌道梁,而實際工程中,布設的簡支鋼-混結合梁的跨度一般又較PC 軌道梁大,故需在簡支鋼-混結合軌道梁下部設置橫梁,以增加橫向剛度。同時,單榀軌道梁布置需要采用能承受扭矩的拉壓支座[17],而結合梁由于其跨度更大,導致對拉壓支座的受力要求就更高,其設計難度也越大。

若線路本身為單線,或兩線線間距較大的情況下,為解決上述問題,可布設多孔倒T 形截面的單線簡支鋼-混結合軌道梁[18-19]。在蕪湖市軌道交通1 號線、2 號線一期項目及合肥試驗線項目中已有相關應用。

(1)主梁

主梁采用倒T 形截面,主梁底板加寬,在主梁鋼箱兩側設置敞口的鋼槽結構,不設置上蓋板。

(2)壓重混凝土

為防止梁跨結構、特別是曲線梁梁跨結構支座出現負反力,采用C30 混凝土對兩側鋼槽全范圍內進行壓重。鋼槽范圍內底板按構造要求布置剪力釘,并在壓重混凝土中布置上、下層鋼筋網片,上層鋼筋網縱向貫通,下層鋼筋網受側隔板影響,縱向鋼筋斷開。為加強側隔板與壓重混凝土的連接,在側隔板預留圓孔中增設短鋼筋,每孔布置1 根。倒T 形截面單線梁斷面見圖12。

圖12 倒T 形截面單線梁斷面

壓重混凝土表面設置1%的橫向排水坡,以利排水。為防止壓重混凝土出現橫向裂縫,沿梁跨縱向每隔2 m,在壓重混凝土表面施作1 條寬約10 mm、深1～2 cm 的斷縫,用柔性防水材料填實,并注意避免對混凝土外表面造成污染。

(3)支座

倒T 形截面單線簡支鋼-混結合梁支座布置于側腹板和支點側隔板下方,每個梁端布置2 套支座,每榀梁共計布置4 套支座,支座采用球形鋼支座,其支座布置方式同雙線常規結構形式。

支座上板與結合梁底板的連接采用箱外螺栓、箱內套筒的連接方式,箱內套筒需在鋼梁制造廠預先安裝在鋼梁底板上。支座安裝位示意見圖13。

圖13 倒T 形截面單線梁支座安裝位

3 技術創新

3.1 氣密防腐技術

主梁箱體內部和穩定面構造內部密閉空間均采用氣密防腐技術,取消了主梁箱體的內表面涂裝,優化鋼梁涂裝工序,避免內部涂裝施工給施工操作人員帶來的安全風險。

3.2 球形鋼支座

簡支鋼-混結合軌道梁各梁型方案均采用球形鋼支座,滿足結果受力需要的同時,能夠取消傳統的拉壓支座及長錨栓預埋,減少對橋墩結構的影響。同時,所采用的球形鋼支座具備高度及兩個水平方向的調整功能,便于對梁體線形進行調整。

3.3 預留指形板手孔

梁端指形板在軌道梁就位后安裝,通過在穩定面指形板安裝位上部設置安裝預留孔的方式,可解決指形板后期安裝空間的問題。

3.4 曲線梁等高度橫梁設計

軌道梁制造線形復雜,曲線鋼-混結合軌道梁受超高影響,主梁腹板與橫梁軸線非垂直關系,采用等高度橫梁設計利于鋼結構的加工制造,利于從源頭避免制造誤差累計、甚至制造錯誤的發生。

3.5 正交異性板整體式下平聯梁型方案

設計正交異性板整體式下平聯梁型方案,改善橋梁結構整體性,利于整體起吊安裝,減少現場施工操作時間,降低對跨越物的影響,適合跨越鐵路、公路的工點橋梁采用。

3.6 鋼梁與鋼-混結合梁組合的梁型方案

采用了鋼梁與鋼-混結合梁組合的梁型方案,該方案是在常規結構形式的基礎上,在負彎矩區設置鋼梁段,解決了橋面混凝土存在受拉工況的問題,通過過渡段特殊構造細節設計,實現鋼梁段和鋼-混結合段的順接,適用于雙層復合結構、大位移伸縮裝置兩側的單軌梁跨采用。

3.7 倒T 形截面單線梁梁型方案

采用倒T 形截面單線簡支鋼-混結合軌道梁梁型方案,解決了單線梁橫向剛度弱的問題,鋼槽內壓重混凝土的灌注改善了梁體的橫向穩定性,采用開口鋼槽,取消了上蓋板,便于壓重混凝土的灌注,同時可節省用鋼量0.24 t/m。

每個梁端布設2 個球形支座,避免布設拉壓支座,降低了對橋墩結構的影響。

4 結語

隨著我國跨座式單軌交通事業的快速發展,簡支鋼-混結合梁在跨座式單軌交通中應用范圍和環境勢必越來越廣泛。通過對氣密防腐技術、球形鋼支座應用、整體式下平聯梁型、鋼梁與鋼-混結合梁組合梁型、倒T 形截面單線梁梁型等技術創新,有利于簡支鋼-混結合軌道梁結構設計的優化和梁型方案的改進,可為類似工程的設計和應用提供借鑒。