跨座式單軌連續剛構PC 軌道梁關鍵設計參數研究

薛洪衛 劉永鋒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

目前,跨座式軌道交通正在國內二、三線城市深入推進,多采用高架敷設形式[1-4]。該制式橋梁簡支體系存在伸縮縫多、行車舒適度一般、支座造價高、后續運營養護費用高等缺點。而連續剛構體系既有伸縮縫少、行車平順的優點,又具有T 形剛構不設支座、無需體系轉換的優點,還有較好的順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度,是跨座式軌道交通的發展趨勢[5-7]。

結合蕪湖軌道交通1 號線、2 號線連續剛構PC軌道梁設計,對連續剛構PC 軌道梁關鍵設計參數進行研究,以期為跨座式軌道交通的推廣提供技術支持。

1 工程概況

蕪湖軌道交通1 號線、2 號線一期為十字交叉的兩條線,其中1 號線為南北向,線路全長30.46 km,全線高架敷設;2 號線一期為東西向,線路全長15.787 km,其中地下線長1.409 km,地面及高架線14.378 km。高架線區間標準結構采用連續剛構PC軌道梁結構。

蕪湖跨座式軌道交通1、2 號線主要技術標準如下。

(1)系統制式:跨座式單軌,采用CMRⅡ型車。

(2)線路標準:雙線,標準線間距4.6 m,設計最高速度80 km/h。

(3)設計荷載:CMRⅡ型荷載,超員時活載軸重140 kN,定員時活載軸重123 kN,車輛活載圖式見圖1[8]。

圖1 CMRⅡ車型活載圖式(單位:mm)

(4)地震效應:地震動峰值加速度值0.075g,地震動反應譜特征周期0.40 s。

(5)主體結構設計使用年限:100 年。

2 連續剛構橋總體設計概述

橋梁結構標準結構為3×30 m 預應力混凝土連續剛構橋,先簡支后連續,梁部結構簡支部分為梁廠預制節段,中、邊墩墩頂段為現澆段。常用墩高為9.5～15 m,中墩頂設置120 cm 后澆段,邊墩頂設置80 cm 后澆段。考慮到制造、安裝誤差及溫差下梁體的伸縮,每聯梁梁端距梁縫中心取25 mm。

縱向預應力筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003 預應力鋼絞線,預應力鋼絞線強度為1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa,Ⅱ級松弛。

連續剛構總體布置及斷面見圖2、圖3。

圖2 3×30 m 連續剛構PC 軌道梁總體布置

圖3 3×30 m 連續剛構PC 軌道梁立面及橫斷面布置(單位:mm)

3 關鍵設計參數分析研究

主要研究連續剛構PC 軌道梁的曲線半徑、墩梁剛度合理分配、基礎剛度、基礎沉降、合龍溫度及溫差等關鍵參數對結構的影響[9-11],以優化參數取值。

3.1 曲線半徑研究

PC 軌道梁為空間受力結構,相較于常規的軌道交通,單軌軌道梁承受的橫向荷載較大;此外,軌道梁還要承受較大的扭轉荷載作用,尤其是曲線梁,通過將梁體斜置來設置曲線超高,使得軌道梁橫截面傾斜。自重、二期恒載和活載在橫截面上產生雙力矩,活載在截面內產生扭矩。軌道梁受到雙向彎矩和扭矩的共同作用,其應力狀態和變形分析較為復雜。以下對3×30 m直線梁和3×30 m(R=1 000 m)曲線梁展開分析。

通過Midas 建模計算分析,直線及曲線結構對應不同的內力見表1。

表1 不同曲線半徑連續剛構PC 軌道梁內力計算結果比較

由表1 可知,從恒載、活載、主力和“主+附”等不同工況進行對比分析,曲線半徑對連續剛構軌道梁的影響主要是扭矩的影響,而彎矩的影響較小。曲線半徑越小,恒載、活載等效應產生的扭矩越大,而彎矩變化幅度較小,可以按直線考慮。在設計時,應充分考慮扭矩對內力的放大效應,保證結構安全。

3.2 墩梁合理剛度分析

連續剛構PC 軌道梁作為剛構體系,墩身剛度對結構的受力影響較大,為滿足上部結構在溫度、混凝土收縮徐變、地震荷載等作用下的縱向水平變形,墩身設計為縱向剛度較小的柔性墩來滿足其位移要求,同時需保證縱向抗彎剛度、偏載和橫向力作用下的抗扭剛度。將墩身縱向尺寸作為敏感參數對3×30 m(直線)展開分析,通過調整剛構墩身尺寸,對比分析不同墩身剛度下結構的受力及各項指標的變化,探討墩梁合理剛度的確定。

通過Midas 建模計算分析,不同墩身尺寸、不同墩高對應不同的內力見表2。

表2 不同墩身尺寸連續剛構PC 軌道梁內力比較

隨著墩身尺寸的增加,主梁在恒載及溫度、沉降等附加力作用下,內力值逐漸減小,跨中梁底彎矩由1 140 kN·m 減小為1 017 kN·m,減小約10%,并無顯著變化;而橋墩墩底彎矩顯著增大,邊墩墩底彎矩由1 501 kN·m 增大為2 871 kN·m,增幅約90%,對結構受力較為不利。墩身剛度會通過溫度和支座沉降等影響剛構所受附加內力的變化,帶來結構應力和安全系數的變化。需經過反復計算,以確定合理的墩梁剛度比,使得結構能夠在滿足變形要求的前提下,不至于增加較多的墩、梁部配筋。

3.3 基礎不均勻沉降影響分析

連續剛構是一種外部超靜定結構,基礎不均勻沉降將引起結構附加內力。相較于簡支梁,連續梁結構對基礎要求較高。選取5 mm、10 mm、15 mm 三種沉降值,通過Midas 建模計算分析,對比不同沉降值對應內力變化(見表3)。

表3 不同支點不均勻沉降內力比較

隨著不均勻沉降值的增加,主梁及墩身彎矩均相應增加。10 mm 不均勻沉降引起的主梁內力變化值約占主力狀態下內力(2 200 kN·m)的33%,可見影響巨大。因此,應嚴格控制基礎不均勻沉降值,控制支點沉降不超過10 mm。

3.4 溫度影響分析

橋梁結構因自然環境變化引起的溫度差效應主要可以歸納為日照、降溫和年溫度變化3 個原因。日照溫差和寒流溫差屬于局部溫度場效應,年溫差效應指常年緩慢變化、均勻的、整體的長期溫差場效應。采用有限元計算的方法,根據合龍時溫差的大小及地區氣象資料,采用升溫30 ℃和降溫30 ℃設計,并選取升降20 ℃和升降40 ℃進行對照分析,以說明溫度對結構的影響,不同沉溫度荷載對應不同內力見表4。

表4 不同溫差下結構內力比較

隨著整體升降溫溫差逐漸加大,結構內力呈線性增長。整體升降溫30 ℃引起的主梁內力變化值最大約為主加附作用下內力的20%,有較大影響。所以應選取合適的合龍溫度,盡量減小整體升降溫溫差,從而減小結構受溫度附加力作用,以減小結構配筋。

4 參數優化后結構方案及靜力計算

經過上述關鍵設計參數比選,對于連續剛構PC軌道梁,總體及結構設計關鍵參數確定如下。

(1)以3×30 m 為標準跨度。

(2)墩高選用9.5～15 m。

(3)選用曲線,R=1 000 m。

(4)上部結構梁寬0.69 m,實心矩形截面,跨中梁高1.6 m,支點處梁高2.2 m。

(5)下部墩橫向寬度1.8 m,順橋向中墩1.2 m,邊墩0.8 m。

(6)相鄰兩支點不均勻沉降Δ=10 mm。

(7)整體升溫按照23.3 ℃考慮,整體降溫按-22 ℃考慮,局部溫度按照頂板升降3 ℃考慮。

針對3×30 m 變高連續剛構PC 軌道梁進行全橋靜力檢算,檢算結果見表5。

表5 3×30m連續PC 軌道梁(R=1000m)靜力計算結果

由表5 可知,結構各項力學指標均滿足規范要求[12-15]。

5 工程經濟性比選

通過上述計算分析,3×30 m 連續剛構結構受力合理、施工步驟簡單、墩高適應范圍廣。選取3×30 m 連續剛構PC 軌道梁與3 孔30 m 簡支軌道梁在保證梁頂至承臺頂為12 m(即:連續剛構梁底到承臺頂10 m,簡支體系梁高較剛構體系墩頂處低0.5 m,對應梁底到承臺頂為10.5 m)的前提下開展綜合經濟比較(見表6)。

表6 3×30m連續剛構與簡支PC梁經濟比選 元

由表6 可知,簡支體系等長度綜合造價指標較連續剛構軌道梁橋高18.7%,梁部分項指標比連續剛構體系高41.6%,原因在于:連續剛構支點梁高較高,后澆段現澆施工復雜引起梁部指標高于簡支體系,但剛構體系可節省支座,支座占造價比重較大使得其造價低于簡支體系。下部分項指標較連續梁剛構體系低12.1%,主要原因:連續剛構的墩身配筋較多,且蓋梁內含預應力筋,故其經濟指標高于PC 簡支梁體系。綜合比較,連續剛構體系經濟優勢較為明顯。

6 結論

結合蕪湖軌道交通1 號線、2 號線,對跨座式連續剛構PC 軌道梁關鍵設計參數進行研究分析,通過對曲線半徑、墩身尺寸及高度、基礎不均勻沉降值、溫度應力等的研究,較為全面地確定影響連續剛構PC 軌道梁橋的關鍵設計參數;并結合蕪湖單軌的氣候條件、墩高設置、地質狀況等進行結構參數取值。通過結構整體受力計算及經濟性比選,連續剛構PC 軌道梁綜合造價指標較簡支梁減少約15%。