懸掛式軌道梁倒L型橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王靖宇

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

懸掛式軌道梁是城市軌道交通梁體結(jié)構(gòu)的一種，它不同于傳統(tǒng)意義上的梁體，是將機(jī)車懸掛于軌道梁下方，因此又被喻為“空中列車”。雖然軌道梁在中國(guó)是一個(gè)嶄新的概念，但是在國(guó)外已有百年的歷史。1901年，第一條現(xiàn)代化的懸掛式單軌交通在德國(guó)伍伯塔爾市建成，歷經(jīng)100年的風(fēng)雨仍發(fā)揮著城市公共交通主動(dòng)脈的作用。目前懸掛式單軌交通僅在德國(guó)、日本有著成熟的運(yùn)營(yíng)線路，列車最大運(yùn)行速度約為60km/h，多以2～3輛編組運(yùn)行[1]。

在2011年，德國(guó)國(guó)際空列集團(tuán)(H-Bahn)在天津成立了太平洋空鐵設(shè)備技術(shù)有限公司，開啟了懸掛式軌道交通在國(guó)內(nèi)的第一槍。隨后，懸掛式軌道梁以其“征地拆遷面積小、地形適應(yīng)能力強(qiáng)、建設(shè)周期短、工程造價(jià)低和景觀效果好”等特點(diǎn)在全國(guó)各地逐步開展起來(lái)。目前，懸掛式軌道梁在國(guó)內(nèi)尚無(wú)正式運(yùn)營(yíng)的公共交通線路，但在貴州安順、貴州黔東南、四川攀枝花、湖南長(zhǎng)沙、陜西韓城和四川成都大邑縣等地區(qū)均陸續(xù)開展短途的旅游觀光線路[1]。

1 依托項(xiàng)目

依托于寧夏中衛(wèi)市沙坡頭旅游觀光設(shè)施工程項(xiàng)目，其路線為封閉環(huán)形，內(nèi)環(huán)線總長(zhǎng)度為11.9km，采用平行雙線設(shè)計(jì)(先期內(nèi)線單側(cè)掛梁，后期雙線掛梁)，采用車載蓄電池供電模式。環(huán)線內(nèi)側(cè)設(shè)置6.5m寬救援車道，長(zhǎng)度為11.706km。全線設(shè)置3座車站，分別為東大門起始站、北沙戰(zhàn)國(guó)站和夢(mèng)幻沙島站，站間距分別為2.8km、4.6km和4.5km。該項(xiàng)目的最高運(yùn)行速度為50km/h，最大坡度為4%，采用3編組車輛，設(shè)計(jì)使用年限為100年。

本項(xiàng)目上部結(jié)構(gòu)梁體采用懸掛式軌道鋼梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用鋼結(jié)構(gòu)。因路線存在上下行線路及線路道岔，下部結(jié)構(gòu)分為T型墩、門架墩和倒L型墩三種橋墩。選取標(biāo)準(zhǔn)跨徑L=22m的標(biāo)準(zhǔn)倒L型橋墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，總結(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以便其他項(xiàng)目的參考與借鑒。

2 橋墩結(jié)構(gòu)比選與尺寸擬定

橋墩的常規(guī)結(jié)構(gòu)主要為混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)做方案比選，如表1所示。

表1 橋墩結(jié)構(gòu)方案比較表

經(jīng)過(guò)比選，橋墩結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)。擬定倒L型橋墩墩身截面尺寸為1.2m×1.4m(順橋向×橫橋向)，通過(guò)50mm厚耳板及銷軸與上部軌道梁連接，梁體中心線距離橋墩中心線為2.85m，如圖1所示。鋼橋墩內(nèi)部每隔2.5m設(shè)置一道橫隔板，并在橋墩內(nèi)部設(shè)置檢修梯道和檢修人孔。倒L橋墩墩頂部懸臂端板件厚度主要為24mm，墩柱底部5m范圍內(nèi)的板件厚度均為32mm，中間部分墩柱的板件厚度為28mm。

3 設(shè)計(jì)荷載與控制指標(biāo)

鋼橋墩采用容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)規(guī)范[2]內(nèi)容和上部梁體的恒載與活載，橋墩的設(shè)計(jì)荷載如表2所示。

表2 倒L橋墩的設(shè)計(jì)荷載

參照規(guī)范[2-3]內(nèi)容，荷載工況組合的原則考慮為最不利效應(yīng)疊加，對(duì)于不同荷載組合，材料基本容許應(yīng)力可乘以不同的提高系數(shù)，具體如表3。

倒L鋼橋墩結(jié)構(gòu)除滿足規(guī)范[2]規(guī)定的運(yùn)輸、安裝過(guò)程中強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等相關(guān)要求外，運(yùn)營(yíng)階段還應(yīng)該滿足以下結(jié)構(gòu)變形、變位、剛度及抗疲勞等方面規(guī)定：

(2)根據(jù)規(guī)范[2]，在列車荷載、橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力的作用下，橋墩橫向水平位移差引起的軌道梁端兩側(cè)水平折角不得大于4‰rad；當(dāng)跨徑L=22m時(shí)，橋墩橫向水平位移差為22000×2‰=44mm。

(3)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)抗疲勞需滿足規(guī)范[3]的相關(guān)要求。

4 有限元軟件結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及預(yù)拱度、疲勞性能等進(jìn)行分析計(jì)算。

4.1 模型簡(jiǎn)介

利用有限元軟件MIDAS Civil 2019建立空間板單元計(jì)算模型，橋墩共計(jì)2206個(gè)節(jié)點(diǎn)，2215個(gè)單元。并考慮樁基的基礎(chǔ)土彈簧作用，計(jì)算模型詳見圖2。

4.2 位移結(jié)果分析

倒L鋼橋墩由于自身構(gòu)造特點(diǎn)，其受力較為復(fù)雜，三個(gè)方向均會(huì)產(chǎn)生位移。墩身和懸臂均需要具有足夠的剛度，使懸臂端部在荷載作用下不產(chǎn)生較大的偏移。經(jīng)過(guò)有限元軟件計(jì)算，分析在不同荷載組合作用下的鋼橋墩橫橋向位移、順橋向位移及豎向位移，結(jié)果詳見表4，得出以下結(jié)論：

(1)鋼橋墩墩頂順橋向設(shè)計(jì)位移為13.8mm，滿足規(guī)范[2]限值=23.5mm要求。

(2)鋼橋墩墩頂橫橋向設(shè)計(jì)位移為43.2mm，考慮相鄰橋墩最不利情況位移為0mm，則計(jì)算橋墩的墩頂位移差為43.2mm，滿足規(guī)范[2]限值44mm要求。

為了抵消由于恒載和活載作用在墩頂懸臂端產(chǎn)生的下繞，使乘客有一個(gè)良好乘車舒適性，在鋼橋墩懸臂部分設(shè)置8.6mm的預(yù)拱度。

圖2 板單元模型

表4 倒L墩墩頂懸臂處位移計(jì)算結(jié)果匯總 mm

4.3 應(yīng)力結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)有限元軟件計(jì)算，提取出不同荷載組合作用下的應(yīng)力結(jié)果，詳見表5所示。根據(jù)板單元計(jì)算應(yīng)力云圖(因篇幅限值不做列舉)，得出以下結(jié)果：

4.3.1主力組合作用下

(1)整個(gè)墩身的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均位于墩腳位置處，其應(yīng)力值分別為49.5MPa和-72.1MPa。

(2)由于橋墩主要承受繞線路方向的彎矩作用，且根據(jù)應(yīng)力云圖顯示，懸臂端位置處的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別位于橋墩截面的上翼緣和下翼緣(墩腳位置處亦如此)。最大剪應(yīng)力位于橋墩墩腳截面腹板位置處，其值為35.5MPa。

表5 倒L橋墩應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總

4.3.2主力+附加力組合作用下

(1)懸臂端和墩腳位置處的最大應(yīng)力均為橫橋向的附加力(風(fēng)荷載與溫度)作用下，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為201.2 MPa(升溫工況)和-213.3MPa(降溫工況)；最大剪應(yīng)力位于橋墩墩腳截面腹板位置處，其值為83.5MPa。

(2)升溫作用會(huì)使結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力增加，降溫作用會(huì)使結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力增加，升溫與降溫作用均會(huì)增加結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力。

根據(jù)表5所示，除了在升溫作用下結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力位于懸臂端，其他荷載組合作用下的墩腳位置處應(yīng)力值均大于其他位置處。由此可見，墩腳位置為墩身的主要控制截面。此外，鋼橋墩懸臂端和墩腳位置處的應(yīng)力值均滿足規(guī)范應(yīng)力限值要求。

4.4 疲勞驗(yàn)算

倒L型橋墩由于偏載作用，橋墩結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，不同于常規(guī)的偏壓和軸壓構(gòu)件。橋墩根據(jù)具體板件受力情況分為拉—拉構(gòu)件、以拉為主的拉—壓構(gòu)件和以壓為主的拉—壓構(gòu)件，同時(shí)疲勞應(yīng)力均為壓力的壓—壓構(gòu)件可不進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。疲勞荷載=恒載+定員列車活載+橫向搖擺力(或離心力)，其中靜活載考慮1.067的運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)。疲勞容許應(yīng)力幅類別采用最不利Ⅴ類別(焊縫)，其疲勞容許應(yīng)力幅[σ0]為110.3MPa。因軌道梁為單線軌道，故多線系數(shù)γd取值為1。構(gòu)件損傷修正系數(shù)γn取值為1.15，恒載與活載的比值取值為3：7，并根據(jù)γt系數(shù)修正板厚。

根據(jù)橋墩構(gòu)件位置及板厚的不同，將橋墩分為三個(gè)部分取其最不利位置分別進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，詳見表6。根據(jù)計(jì)算，鋼橋墩的疲勞驗(yàn)算均滿足規(guī)范[4]要求。

表6 疲勞應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果匯總 MPa

5 結(jié)論與展望

通過(guò)利用有限元模型對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，分析總結(jié)了控制標(biāo)準(zhǔn)、荷載組合、計(jì)算步驟與計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)尺寸與板件厚度較為合理，剛度和強(qiáng)度均滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求。總結(jié)以下三點(diǎn)結(jié)論，以供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考與借鑒。

(1)由于倒L型橋墩自身形狀特點(diǎn)，橫橋向需要較大剛度。在擬定結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，需注意其橫橋向位移滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)溫度作用和橫橋向風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大，對(duì)于溫度變化較大與風(fēng)荷載較大地區(qū)，在設(shè)計(jì)時(shí)需注意主力+橫橋向附加力組合作用下的墩腳位置處應(yīng)力值滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)拉—拉構(gòu)件或以拉為主的拉—壓構(gòu)件不控制疲勞驗(yàn)算，需注意以壓為主的拉—壓構(gòu)件的疲勞性能滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋墩的整體穩(wěn)定與板件局部穩(wěn)定驗(yàn)算、軌道梁銷軸與連接耳板強(qiáng)度計(jì)算、墩臺(tái)連接性能、抗傾覆驗(yàn)算及橋墩抗震分析等內(nèi)容，由于篇幅限值，不再贅述。