跨座式單軌交通(100+160+100)m鋼箱梁剛構(gòu)矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)研究

彭華春，李 靖

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

跨座式單軌交通是一種新型的交通方式，在日本以及中國(guó)重慶應(yīng)用[1]，其具有造價(jià)低、景觀好、占地少、噪聲低、施工便捷和適應(yīng)地形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是未來城市建設(shè)的一個(gè)方向[2-5]。跨座式單軌軌道梁作為梁軌合一的橋梁結(jié)構(gòu)[6]，應(yīng)同時(shí)滿足承受列車荷載和列車對(duì)行走線形的要求[7]。作為軌道，還應(yīng)具備一定的結(jié)構(gòu)高度來適應(yīng)列車走行和承載。跨座式單軌軌道梁截面寬度小，跨度有限，跨度較大時(shí)一般采用梁上梁結(jié)構(gòu)，將箱梁作為軌道梁的平臺(tái)，即大跨度箱梁上再鋪設(shè)小跨度的軌道梁[8]。梁上軌道梁一般采用簡(jiǎn)支體系，通過抗拉力支座與箱梁鉸接，受力上與大跨度箱梁分離，僅作為二期恒載，造成整體組合結(jié)構(gòu)較高，景觀性不好。特別是當(dāng)軌面高程及梁下凈空受限時(shí)，為確保方案可行性，除最大程度壓縮箱梁結(jié)構(gòu)高度外，還應(yīng)考慮軌道梁與箱梁整體受力，減小無效高度。以柳州單軌1號(hào)線三門江跨江橋?yàn)槔Y(jié)合跨座式單軌交通的特點(diǎn)，介紹一種鋼箱梁剛構(gòu)矮塔斜拉橋。該斜拉橋采用鋼箱梁上焊接鋼軌道梁，形成組合受力結(jié)構(gòu)，能夠有效降低結(jié)構(gòu)高度，確保橋下凈空，利用剛構(gòu)矮塔斜拉橋剛度大的特點(diǎn)保證橋梁整體剛度[9-11]。

1 工程概況

柳州單軌1號(hào)線三門江跨江橋位于廣西壯族自治區(qū)柳州市境內(nèi)，三門江國(guó)家森林公園東南側(cè)，平行于既有三門江公路橋北側(cè)(上游方向)約10 m橫跨柳江，該處柳江寬約450 m。大橋西岸屬低矮溶丘地貌，西北至西南方向都被山峰環(huán)繞，中間為河谷平地，地勢(shì)相對(duì)較平坦；大橋東岸主要為柳江階地，地面相對(duì)較平緩，臨水區(qū)域岸坡坡度較陡，坡面植被繁茂。擬建橋梁位于柳江河床內(nèi)，河床呈扁平弧狀，東西兩端高，中間低，常水位水深為21.2 m(中墩處)，百年一遇洪水位水深35.9 m(中墩處)。

本橋址下游約10 m(右線中心線與公路橋梁結(jié)構(gòu)外側(cè)距離)處為既有三門江公路橋，本線線路平行于該公路橋。三門江公路橋?yàn)?100+160+100)m雙塔雙索面部分矮塔斜拉橋，塔、梁固結(jié)體系，橋面寬41 m。通航等級(jí)為Ⅲ級(jí)，通航凈空10 m，通航凈寬110 m。

考慮通航及防洪要求，綜合景觀、經(jīng)濟(jì)性及施工難度等因素，本橋與既有三門江大橋?qū)撞贾茫捎?100+160+100)m鋼箱梁剛構(gòu)矮塔斜拉橋方案，通航凈空不小于110 m(寬)×10 m(高)。全橋立面如圖1所示。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

柳州單軌1號(hào)線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為: ①列車制式，跨座式單軌；②線路情況，雙線，線間距4.6 m；③設(shè)計(jì)速度，90 km/h；④設(shè)計(jì)活載，龐巴迪CMR2；⑤地震烈度為Ⅵ度，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 橫斷面布置

主梁采用鋼箱梁與鋼軌道梁相結(jié)合的形式。鋼箱梁采用單箱單室變高度箱梁，橋面寬13.6 m，鋼箱梁上方設(shè)置高約1.5 m、寬0.69 m鋼軌道梁，線間距約4.6 m。鋼箱梁先期架設(shè)，主橋合龍后，在鋼箱梁橋面上焊接鋼軌道梁。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置(單位：cm)

3.2 鋼箱梁

主梁采用單箱單室變高度鋼箱梁，主跨跨中及邊支點(diǎn)處梁高2 m，中支點(diǎn)處梁高6 m，區(qū)段梁高從6 m變化至2 m，按二次拋物線變化。鋼箱梁梁寬13.6 m。

鋼箱梁梁段劃分：A0梁段為墩梁結(jié)合部的鋼-混結(jié)合段；中跨從主墩到跨中依次為A1～A9梁段，中跨合龍H1梁段，共19梁段；邊跨依次為B1～B12梁段，共24梁段。

3.3 軌道梁

軌道梁采用鋼軌道梁，并與箱梁焊接。由于軌道梁線形精度要求很高，為確保施工完成后線形可調(diào)，頂面設(shè)置10 cm厚混凝土層，通過剪力釘與鋼梁連接，用以調(diào)整軌道梁線形[12-13]。鋼軌道梁高約1 500 mm，寬690 mm；頂板厚24 mm，腹板厚18 mm，采用板肋加勁，板肋150 mm×16 mm，隔板基本間距1 000 mm，端部設(shè)置密封板，鋼軌道梁每隔8 m設(shè)置一道過水槽。鋼軌道梁待鋼箱主梁合龍成橋后，在鋼箱梁橋面上焊接。

3.4 索塔

索塔采用雙柱式橋塔形式，橋面以上塔高22.8 m，橋面以上塔的高跨比為1/7。為適應(yīng)分絲管索鞍，塔柱采用矩形實(shí)體截面，順橋向?qū)?.6 m，橫橋向?qū)? m，為美化索塔造型，每個(gè)角點(diǎn)處采用倒圓角處理，詳見圖3。下部采用分離式結(jié)構(gòu)，塔根部截面順橋向?qū)?.8 m，橫向?qū)? m。

圖3 橋塔塔柱截面(單位：cm)

3.5 斜拉索及錨固體系

斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，空間雙索面體系。斜拉索梁上間距8 m，與主梁采用成品梁端錨具形式，主梁內(nèi)設(shè)置鋼錨箱，張拉端設(shè)置在梁上。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.6 m。斜拉索規(guī)格為22-7φ5 mm，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa。

3.6 橋墩及基礎(chǔ)

主墩采用鋼筋混凝土雙肢薄壁墩，塔、梁、墩固結(jié)形成剛構(gòu)體系。利用雙肢薄壁墩在保證抗彎剛度的同時(shí)，減小鋼箱梁的溫度力[14-16]。如圖4、圖5所示，墩身高26.1 m，雙壁中心距2.8 m，每片薄壁墩順橋向壁厚1.8 m。主墩橫橋向?qū)挾龋合虏? m高為等寬段，橫向?qū)?1.6 m；中部15 m為變寬段，橫向?qū)?1.6～13.6 m，按R=11.3 m圓弧過渡；上部橫向?qū)?3.6 m。主墩承臺(tái)采用矩形承臺(tái)，尺寸為11.6 m(順橋向)×15.8 m(橫橋向)×4.0 m(厚度)，每個(gè)承臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)置12根φ1.8 m鉆孔灌注樁。

圖4 橋塔處橫斷面(單位：m)

圖5 橋墩橫斷面(單位：cm)

3.7 主要施工步驟

(1)搭設(shè)水上施工平臺(tái)、圍堰，施工基礎(chǔ)承臺(tái)；

(2)爬模、滑模或支架施工橋墩至結(jié)合面；

(3)搭設(shè)支架或托架，吊裝結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)，澆筑結(jié)合段混凝土；施工橋面以上橋塔；

(4)懸裝施工各節(jié)段鋼梁并及時(shí)張拉斜拉索；

(5)邊跨及主跨合龍后，在鋼箱梁上拼裝鋼軌道梁，并調(diào)整斜拉索索力；

(6)施工橋面附屬，成橋。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

采用MIDAS CIVIL建立空間有限元數(shù)值計(jì)算模型，鋼箱梁、軌道梁、橋塔、橋墩、樁基礎(chǔ)采用空間梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用空間索單元模擬，索與梁、索與塔之間剛性連接，軌道梁在鋼箱梁合龍后采用剛性連接，對(duì)施工階段進(jìn)行模擬[17-20]。成橋后的整體模型如圖6所示。

圖6 整體計(jì)算模型

計(jì)算荷載包括恒載、列車活載、溫度、風(fēng)力、列車制動(dòng)力、搖擺力、支座沉降、地震力等荷載[21]。

4.1 靜力分析

(1)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下各應(yīng)力指標(biāo)

運(yùn)營(yíng)階段，主力、主+附作用下各構(gòu)件應(yīng)力、裂縫及活載作用下疲勞應(yīng)力幅如表1所示(表中正號(hào)為拉應(yīng)力，負(fù)號(hào)為壓應(yīng)力)。

由表1可知，鋼箱梁、軌道梁、橋塔及斜拉索在運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)力、應(yīng)力幅及裂縫等均滿足TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG/T D65—01—2007《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》要求。

表1 運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下各應(yīng)力指標(biāo)

(2)梁體剛度指標(biāo)

梁體在靜活載下的撓跨比如圖7所示。

圖7 雙線靜活載豎向撓度云圖(單位：mm)

由圖7可見，列車雙線靜活載作用下，中跨最大撓度為-99.8 mm，撓跨比1/1 603；邊跨最大撓度為-56.6 mm，撓跨比1/1 766.8，其豎向剛度滿足行車要求。列車雙線靜活載作用下，邊跨梁端轉(zhuǎn)角為1.86‰rad，滿足 GB/T 51234—2017《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

4.2 抗震分析

(1)動(dòng)力特性計(jì)算

三門江大橋主要振型及對(duì)應(yīng)的周期和頻率詳見表2。圖8～圖10給出了相應(yīng)的典型振型。

表2 自振模態(tài)

圖8 主橋第1階振型(縱飄)

圖9 主橋第2階振型(豎飄)

圖10 主橋第3階振型(橫飄)

由表2以及圖8～圖10可見，橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期為1.26 s，而設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的最長(zhǎng)周期為2 s，已包含了所需的長(zhǎng)周期成分。

(2)主梁和斜拉索抗震驗(yàn)算

根據(jù)GB50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，本橋?qū)儆谔厥庠O(shè)防類，在E1、E2地震作用下應(yīng)滿足性能等級(jí)Ⅰ的要求，在E3地震作用下應(yīng)滿足性能等級(jí)Ⅱ的要求[22]。由于E2地震遠(yuǎn)大于E1，故僅需進(jìn)行E2和E3二階段抗震設(shè)計(jì)即可。E2和E3地震作用下鋼梁和斜拉索計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 鋼梁和斜拉索計(jì)算結(jié)果 MPa

E3地震作用下，鋼梁最大應(yīng)力為35.2 MPa，斜拉索的最大應(yīng)力幅為42.8 MPa；E3地震與恒載組合后，鋼梁應(yīng)力在150 MPa以內(nèi)，小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，抗震不控制鋼梁設(shè)計(jì)；E3地震與恒載組合后，斜拉索的最大應(yīng)力為650 MPa，小于斜拉索強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，抗震不控制斜拉索設(shè)計(jì)。

(3)橋塔、墩柱檢算

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：在E2地震作用下，橋塔、墩柱截面要求其截面彎矩小于截面初始屈服彎矩My[22]，整個(gè)截面保持在彈性，結(jié)構(gòu)基本無損傷；E3地震作用下，橋塔、墩柱截面要求其截面彎矩應(yīng)小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq(考慮軸力)，滿足E3地震作用下局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷，地震發(fā)生后，基本不影響列車通行的性能要求[23-24]。

E2和E3地震作用下，橋墩抗震能力檢算見表4。

表4 橋塔及墩柱抗震能力檢算

由表4可見，E2、E3作用下最大彎矩皆發(fā)生在墩底，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

柳州單軌1號(hào)線三門江跨江橋主橋采用(100+160+100)m鋼箱梁剛構(gòu)矮塔斜拉橋，主墩采用雙肢薄壁墩有效釋放溫度力。為降低結(jié)構(gòu)整體高度，在鋼箱梁上焊接鋼軌道梁，形成組合受力結(jié)構(gòu)。鋼箱梁先期架設(shè)，主橋合龍后，在鋼箱梁橋面上焊接鋼軌道梁。主橋強(qiáng)度、剛度和抗震分析均滿足設(shè)計(jì)要求。該類橋型能夠有效利用軌道梁截面，提升橋梁整體剛度和強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)合理，力學(xué)性能良好，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)輕巧，可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)研究提供借鑒。