裝配式中低速磁浮軌道梁及橋墩設(shè)計研究

郭俊峰

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

目前中低速磁浮屬于城市軌道交通中比較先進的技術(shù)，具有速度快、成本低、安全環(huán)保等優(yōu)勢，適用于市區(qū)與城郊、旅游景區(qū)之間的交通連接。隨著磁浮市場不斷壯大，關(guān)于磁浮軌道梁及橋墩的研究受到越來越多的關(guān)注[1]。

磁浮軌道梁不僅承受列車荷載，還要承受導軌及供電信號裝置的荷載，其跨度和截面型式是在普通鐵路的基礎(chǔ)上，滿足特殊構(gòu)造要求與運營舒適性確定的。張文斌和文功啟[2]依托某中低速磁浮試驗線，研究了滿足線路運營安全性和行使舒適性要求的軌道梁結(jié)構(gòu)形式及施工方法。耿杰[3]以長沙中低速磁浮為工程背景，對比分析了各梁型、梁高條件下軌道梁的差異。張子堯[4]利用有限元軟件研究了25～40 m跨度范圍的磁浮軌道梁，結(jié)論表明，30 m跨度結(jié)構(gòu)其社會和經(jīng)濟效應最優(yōu)，為推薦跨徑。楊光[5]研究了株機廠試驗線和長沙磁浮商業(yè)線中簡支梁在不同撓跨比下的系統(tǒng)動力響應，提出了適合我國中低速磁浮交通簡支軌道梁的豎向撓跨比限值。

裝配式橋梁構(gòu)件具有建設(shè)速度快、震后易修復等優(yōu)勢，逐漸被應用于橋梁建造領(lǐng)域。相比橋梁的上部結(jié)構(gòu)，橋墩的預制化程度遠遠不足，因此越來越多的學者開始研究橋墩的預制裝配化方案。劉少乾[6]設(shè)計不同的橋墩模型進行擬靜力試驗研究，分析空心預制節(jié)段橋墩的抗震性能與破壞機理。陳久強[7]設(shè)計制作了傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩、半預制半現(xiàn)澆橋墩和完全預制橋墩三種試件，并通過有限元軟件進行參數(shù)分析，得出不同軸壓比與底部節(jié)段縱筋配筋率下所對應的底部節(jié)段高度的合理取值。張發(fā)飛等[8]利用限位螺栓改善了預制節(jié)段橋墩的耗能能力，并進行模擬地震來襲情況下的動力學時程分析。江夢瑩[9]則采用一種新型法蘭連接的方式對普通預制節(jié)段鋼管混凝土橋墩進行結(jié)構(gòu)改進，運用ABAQUS有限元分析軟件并采用混凝土塑性損傷模型對結(jié)構(gòu)進行分析驗證，發(fā)現(xiàn)新型法蘭連接節(jié)段橋墩的抗震性能優(yōu)于普通節(jié)段鋼管混凝土橋墩，其結(jié)合了現(xiàn)澆橋墩和預制節(jié)段橋墩兩者的優(yōu)點。

本文以某中低速磁浮工程為背景，對比分析磁浮軌道梁的截面型式，在滿足適用、安全、技術(shù)性、經(jīng)濟性以及施工便捷性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了裝配式中低速磁浮軌道梁及橋墩，顯著改善了傳統(tǒng)施工占道嚴重、運輸效率低、施工周期長、環(huán)境污染大等缺點，為中低速磁浮軌道梁及橋墩設(shè)計提供參考[10－12]。

2 裝配式軌道梁設(shè)計

預制節(jié)段梁的劃分方法有多種，一般包括縱向劃分法、橫向劃分法與豎向劃分法三種，如圖1所示。拼接縫處可采有樹脂類粘接劑或預應力鋼材使預制塊連接為整體，輔以剪力鍵抵抗剪力。

圖1 裝配式軌道梁節(jié)段劃分

在預制、運輸、架設(shè)方面，豎向劃分方法與整孔預制梁區(qū)別不大，沒有明顯優(yōu)勢，反而增加了橋梁拼裝工序。因此下文僅分析縱向劃分法和橫向劃分法。

2.1 技術(shù)標準

為滿足跨越城市寬幅道路的需求，設(shè)計軌道梁橋梁全長為31.2 m，計算跨度為30.1 m，按全預應力構(gòu)件設(shè)計。主要技術(shù)指標如下:

(1)正線數(shù)目:單線；

(2)設(shè)計行車速度:100 km/h；

(3)設(shè)計活載:按25 kN考慮；

(4)軌道結(jié)構(gòu)高度:梁頂至軌面高度0.5 m。

2.2 縱向節(jié)段拼裝箱梁

軌道梁型式為單箱單室截面，跨中截面頂部寬度為1.3 m，底部寬度為1.4 m，梁高為2.4 m，頂板厚為22 cm，底板厚為20 cm，腹板厚為26 cm；靠近梁端位置底板及腹板分別局部向內(nèi)側(cè)線性加厚至47 cm與36 cm。軌道梁縱向在跨中位置劃分為兩節(jié)段，節(jié)段間通過樹脂類膠粘劑粘接?？v向設(shè)置8束永久預應力管道，節(jié)段拼裝時可為膠粘劑提供臨時壓應力。梁頂鋪設(shè)軌道等附屬結(jié)構(gòu)，跨中截面見圖2。

圖2 縱向節(jié)段拼裝箱梁截面(單位:cm)

采用有限元軟件建模計算，縱向節(jié)段拼裝箱梁強度計算結(jié)果見表1，剛度計算結(jié)果見表2。

表1 _縱向節(jié)段拼裝箱梁強度計算結(jié)果

表2 縱向節(jié)段拼裝箱梁剛度計算結(jié)果

由表1和表2可以看出:縱向節(jié)段拼裝箱梁強度和剛度計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

2.3 橫向節(jié)段拼裝梁方案(U梁＋承軌梁)

軌道梁設(shè)計為U梁＋承軌梁型式，其上布置矩形承軌梁段，承軌梁高為0.3 m，節(jié)段每隔3～4 m設(shè)置一道橫向分縫，沿軌道梁縱向通長布置。U梁跨中截面梁頂寬度為1.3 m，底面寬度為1.4 m。頂板厚30 cm，底板厚40 cm，腹板厚24 cm，腹板在梁端附近加厚至29 cm。梁端、1/4跨及跨中位置設(shè)置40 cm厚的橫隔板，橫隔板預留洞口用于布設(shè)磁浮系統(tǒng)相關(guān)線纜。

承軌梁與U梁間通過樹脂類膠粘劑粘接，豎向間隔1～2 m設(shè)置預應力管道，可為節(jié)段拼裝膠粘劑提供臨時壓應力，施工完成后拆除?？缰薪孛嬉妶D3。

圖3 橫向節(jié)段拼裝梁截面(單位:cm)

采用有限元軟件建模計算，橫向節(jié)段拼裝梁強度計算結(jié)果見表3，剛度計算結(jié)果見表4。

表3 橫向節(jié)段拼裝梁強度計算結(jié)果

表4 橫向節(jié)段拼裝梁剛度計算結(jié)果

由表3和表4可以看出:橫向節(jié)段拼裝梁強度和剛度均滿足規(guī)范要求。

2.4 方案比選

對比分析縱向節(jié)段拼裝箱梁方案與橫向節(jié)段拼梁方案，雖然兩種梁型均滿足強度及剛度要求，但在構(gòu)造方面二者有明顯區(qū)別。在制作方面，橫向劃分法的“U”梁結(jié)構(gòu)外形復雜，模板精度要求高，預應力支座會占用一定梁頂面積，易與軌道結(jié)構(gòu)沖突；在運輸方面，縱向劃分法的箱梁具備明顯優(yōu)勢，可沿縱向劃分若干節(jié)段，從而實現(xiàn)城市復雜交通要求下的長距離運輸；在建造成本方面，縱向劃分法可方便取出內(nèi)模板，模板周轉(zhuǎn)率可達到100%，降低了磁浮軌道梁的建造成本。綜合考慮上述三方面因素，本文選定縱向節(jié)段拼裝箱梁方案。

3 裝配式橋墩設(shè)計

本文選擇裝配式單柱橋墩方案，由1個墩底節(jié)、若干個中間節(jié)與1個墩頂節(jié)自下而上拼裝。墩身標準節(jié)段長度為2 m，橋墩高度調(diào)整方式通過增減中間節(jié)個數(shù)以及調(diào)整承臺頂標高實現(xiàn)。墩身最大高度為12 m。節(jié)間豎筋采用專用鋼筋連接套筒連接，截面采用環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接，橋墩立面及截面如圖4所示。

圖4 預制橋墩立面及截面(單位:cm)

主要計算參數(shù)如下:

(1)恒載:結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預加應力以及混凝土收縮徐變等；

(2)活載:列車豎向動力作用、側(cè)向?qū)蛄Γ?/p>

(3)附加力:制動力、牽引力、風力、溫度力等；

(4)特殊荷載:緊急制動力、地震力作用；

(5)材料:橋墩采用C40混凝土，支座墊石采用C50混凝土，鋼筋采用HPB300和HRB400級。

考慮上述主要計算參數(shù)，采用有限元軟件建模計算，裝配式單柱橋墩強度和剛度計算結(jié)果見表5。

表5 裝配式橋墩強度和剛度計算結(jié)果

從表5可以看出:裝配式橋墩強度和剛度均滿足規(guī)范要求。

裝配式軌道梁與橋墩施工主要包括預制節(jié)段制作、運輸以及現(xiàn)場拼裝。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方法相比，裝配式施工減少了現(xiàn)場鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養(yǎng)護等步驟，節(jié)省了大量時間。

4 結(jié)論

中低速磁浮系統(tǒng)具有較先進的技術(shù)，是城市交通未來的發(fā)展方向。本文基于裝配式構(gòu)件的思路設(shè)計了中低速磁浮軌道梁及橋墩，并采用有限元軟件計算分析磁浮軌道梁及橋墩的力學特性，可得如下結(jié)論:

(1)橫向節(jié)段拼裝梁(U梁＋承軌梁)的強度和剛度均滿足規(guī)范要求。其不足之處表現(xiàn)為:結(jié)構(gòu)外形復雜，模板精度要求高；預應力支座會占用一定梁頂面積，易與軌道結(jié)構(gòu)沖突。

(2)縱向節(jié)段拼裝梁的強度和剛度均滿足規(guī)范要求。其優(yōu)勢表現(xiàn)為:便于施工，適合復雜交通環(huán)境下長距離運輸；模板周轉(zhuǎn)率可達100%，降低了磁浮軌道梁的建造成本。

(3)設(shè)計了裝配式單柱橋墩，其強度與剛度均滿足規(guī)范標準，具有一定的安全儲備。