跨座式單軌連續(xù)剛構(gòu)軌道梁截面形式比選研究

尹興權(quán) 薛洪衛(wèi) 趙 博 劉靜杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

跨座式單軌交通是一種優(yōu)良的中運(yùn)量軌道交通制式,一般采用高架方式敷設(shè)[1]。目前,跨座式單軌軌道梁橋常用的結(jié)構(gòu)體系有簡(jiǎn)支體系和連續(xù)剛構(gòu)體系兩種[2-3]。其中,簡(jiǎn)支體系受力明確,國(guó)外采用簡(jiǎn)支體系的國(guó)家有日本、韓國(guó)等,標(biāo)準(zhǔn)跨度為22～30 m;國(guó)內(nèi)重慶單軌也采用簡(jiǎn)支體系,標(biāo)準(zhǔn)跨度為24 m。采用連續(xù)剛構(gòu)體系可避免設(shè)置昂貴的鑄鋼拉力支座,代表性工程有美國(guó)拉斯維加斯單軌、巴西圣保羅單軌等[4]。以上兩種體系中,梁結(jié)構(gòu)均采用空心截面。

相較于簡(jiǎn)支體系,連續(xù)剛構(gòu)橋墩可分擔(dān)軌道梁跨中自重所產(chǎn)生的彎矩[5],減小自重對(duì)軌道梁結(jié)構(gòu)的不利影響。另一方面,軌道梁采用空心截面,雖可減輕結(jié)構(gòu)自重,節(jié)省混凝土方量,但軌道梁截面相對(duì)較小,加之內(nèi)模和空腔護(hù)面鋼筋的存在,施工時(shí)對(duì)混凝土澆筑、振搗提出較高要求[6]。

以蕪湖市跨座式單軌交通3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋?yàn)槔?考慮相鄰聯(lián)的影響,建立軌道梁-橋墩-基礎(chǔ)一體化的連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋空間結(jié)構(gòu)模型,研究其采用實(shí)心截面的技術(shù)可行性,并在此基礎(chǔ)上對(duì)比兩種截面形式對(duì)工程數(shù)量和造價(jià)。

1 連續(xù)剛構(gòu)仿真模型

蕪湖市跨座式單軌交通3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁截面寬0.69 m,跨中截面高1.6 m,支點(diǎn)截面高2.2 m,墩高10 m,墩身橫橋向長(zhǎng)1.8 m,順橋向邊墩長(zhǎng)0.8 m,中墩長(zhǎng)1.2 m。中墩基礎(chǔ)采用2 根φ1.25 m 摩擦樁,相鄰兩聯(lián)邊墩共用承臺(tái),基礎(chǔ)采用2 根φ1.25 m 摩擦樁。結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁-橋墩-基礎(chǔ)示意

連續(xù)剛構(gòu)軌道梁、橋墩、承臺(tái)均采用空間梁?jiǎn)卧M,軌道梁與橋墩之間為無自重單元連接,中墩橋墩與承臺(tái)之間為剛接,兩邊墩分別與共用承臺(tái)剛接。承臺(tái)底用剛度矩陣模擬樁的支撐剛度[7]。考慮相鄰聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)影響,建立3 聯(lián)3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)橋模型,兩聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)之間用順橋向可自由變形的彈性連接模擬。空間有限元模型見圖2。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁-橋墩-基礎(chǔ)系統(tǒng)空間有限元模型

2 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁實(shí)心截面設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 設(shè)計(jì)原則

(1)軌道梁既是列車行駛軌道,同時(shí)又是列車荷載的承重結(jié)構(gòu),軌道梁的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足這兩種基本功能性要求[8]。

(2)軌道梁結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的豎向、橫向和抗扭剛度,并保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性[9]。

(3)軌道梁梁部按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì),按彈性階段檢算構(gòu)件截面抗裂性、構(gòu)件變形及各工況截面應(yīng)力,按破壞階段檢算構(gòu)件截面強(qiáng)度[10]。

(4)連續(xù)剛構(gòu)蓋梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì),通過配置預(yù)應(yīng)力改善局部應(yīng)力,配置普通鋼筋限制裂縫。墩柱按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)[11]。

(5)荷載組合時(shí)活載分別考慮停車和走行兩種工況。

2.2 主要計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算,軌道梁和橋墩各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足規(guī)范[12-13]相關(guān)要求,主要計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

表1 軌道梁梁部主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

表2 橋墩主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

3 實(shí)心截面和空心截面設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

3.1 主要影響因素分析

一般認(rèn)為,不均勻沉降、活載、整體降溫對(duì)軌道梁和橋墩計(jì)算結(jié)果影響較大。圍繞上述影響因素,對(duì)實(shí)心截面、空心截面軌道梁和橋墩的主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算,工況1 代表軌道梁采用實(shí)心截面,工況2 代表軌道梁采用空心截面。

3.2 成橋階段設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

在模型中考慮先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工過程的影響,將工況1、工況2 成橋狀態(tài)下的軌道梁預(yù)制段梁?jiǎn)卧獞?yīng)力和豎向位移進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算結(jié)果見圖3 和圖4。

圖3 成橋階段軌道梁預(yù)制段梁?jiǎn)卧獞?yīng)力

圖4 成橋階段軌道梁預(yù)制段梁豎向位移

成橋階段,在自重、預(yù)應(yīng)力和徐變等作用下,軌道梁截面形式對(duì)截面正應(yīng)力的影響不大。中跨跨中位置處,實(shí)心截面底部混凝土壓應(yīng)力較空心截面減小7%。

由圖4 可以看出,考慮先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工過程后,工況1 和工況2 在支點(diǎn)處豎向位移差異相對(duì)較小,而在跨中處,由于軌道梁自重和截面慣性矩影響,軌道梁采用實(shí)心截面后,豎向位移分別減小75%(邊跨)和78%(中跨)。

3.3 運(yùn)營(yíng)荷載作用下軌道梁設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

對(duì)連續(xù)剛構(gòu)軌道梁采用實(shí)心截面和空心截面在運(yùn)營(yíng)荷載作用下的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析研究。參照蕪湖地質(zhì)條件及氣象資料,其中不均勻沉降取1 cm,整體降溫取22 ℃。計(jì)算結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 整體降溫下軌道梁預(yù)制段截面內(nèi)力和應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比

圖6 不均勻沉降下軌道梁預(yù)制段截面內(nèi)力和應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比

圖7 活載下軌道梁預(yù)制段截面內(nèi)力和應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比

由圖5～圖7 可以看出,整體降溫對(duì)支點(diǎn)處軌道梁截面內(nèi)力影響相對(duì)較大,邊支點(diǎn)處采用實(shí)心截面時(shí),軌道梁截面內(nèi)力增大6%;不均勻沉降作用下,采用實(shí)心截面后,梁部整體抗彎剛度增大,各位置處軌道梁截面內(nèi)力均有所增大,中跨跨中位置軌道梁內(nèi)力響應(yīng)由111.9 kN·m 增大至123.1 kN·m,增幅約10%;活載作用下,采用實(shí)心截面和空心截面內(nèi)力響應(yīng)基本一致,跨中和中支點(diǎn)增幅均在1%以內(nèi)。

采用實(shí)心截面后,截面抗彎剛度有所增大。整體降溫作用下軌道梁截面最大拉應(yīng)力減小3%(邊跨)和10%(中跨);不均勻沉降作用下邊跨軌道梁截面最大拉應(yīng)力增大2%,中跨軌道梁截面最大拉應(yīng)力減小3%;活載作用下軌道梁邊跨和中跨截面最大拉應(yīng)力均減小7%。

對(duì)連續(xù)剛構(gòu)軌道梁截面內(nèi)力和應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行分析,運(yùn)營(yíng)荷載作用下,軌道梁采用實(shí)心截面后,截面內(nèi)力有所增大,增幅為-7%(活載)～10%(不均勻沉降),但截面拉應(yīng)力有所降低,降幅-3%(不均勻沉降)～24%(整體降溫)。

3.4 橋墩設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

連續(xù)剛構(gòu)支點(diǎn)處為墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu),軌道梁截面形式的變化會(huì)對(duì)橋墩受力產(chǎn)生一定影響[14-15]。成橋階段兩種工況下橋墩截面內(nèi)力對(duì)比見表3。運(yùn)營(yíng)荷載作用下連續(xù)剛構(gòu)橋墩內(nèi)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖8。

表3 成橋階段橋墩截面內(nèi)力比較 kN·m

圖8 運(yùn)營(yíng)荷載下連續(xù)剛構(gòu)橋墩內(nèi)力響應(yīng)對(duì)比

由表3、圖8 可知,成橋階段采用實(shí)心截面和空心截面對(duì)邊墩受力影響相對(duì)較小,中墩墩頂截面彎矩采用實(shí)心截面后增大17%。在不均勻沉降和整體降溫作用下,橋墩各位置截面彎矩均有所增大。在活載作用下,跨中部分軌道梁采用實(shí)心截面后,抗彎剛度有所提高,相應(yīng)分擔(dān)荷載彎矩增多,橋墩墩頂分擔(dān)荷載彎矩減小約5%。

4 實(shí)心截面和空心截面工程數(shù)量對(duì)比

對(duì)3×30 m、3×25 m、3×20 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋進(jìn)行實(shí)心截面和空心截面的工程數(shù)量對(duì)比。同一結(jié)構(gòu)采用不同截面形式時(shí),其橋墩、基礎(chǔ)配置相同。不同跨度軌道梁工程數(shù)量對(duì)比見表4。

表4 軌道梁工程數(shù)量對(duì)比

相較于空心截面,實(shí)心截面軌道梁省去了結(jié)構(gòu)內(nèi)模及空腔護(hù)面鋼筋等,但混凝土數(shù)量有所增加。以標(biāo)準(zhǔn)跨度3×30m為例,一聯(lián)梁混凝土數(shù)量增加19%,普通鋼筋數(shù)量減少19%,鋼絞線數(shù)量減少了2%,結(jié)構(gòu)內(nèi)模減少421.4 m2。經(jīng)初步測(cè)算,每雙線聯(lián)軌道梁工程造價(jià)降低約1 萬元。

5 結(jié)語

結(jié)合跨座式單軌連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特性,研究軌道梁采用實(shí)心截面的可行性,得到以下主要結(jié)論。

(1)連續(xù)剛構(gòu)軌道梁采用實(shí)心截面技術(shù)可行,各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2)采用實(shí)心截面后,成橋階段,軌道梁和橋墩受力并無明顯變化,軌道梁跨中豎向位移減少約75%;運(yùn)營(yíng)階段,軌道梁采用實(shí)心截面后,截面最大內(nèi)力有所增大,截面最大拉應(yīng)力有所減小。

(3)連續(xù)剛構(gòu)體系軌道梁分別采用實(shí)心截面和空心截面時(shí),橋墩、基礎(chǔ)可采用相同配置。

(4)采用實(shí)心截面后,一聯(lián)3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁混凝土數(shù)量增加19%,普通鋼筋數(shù)量減少19%。每雙線聯(lián)軌道梁工程造價(jià)降低約1 萬元。