廣州地鐵4號線整孔簡支箱梁設(shè)計(jì)

趙廷儉

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055； 2.北京交通大學(xué)土建學(xué)院,北京 100044)

1 概述

廣州地鐵4號線車陂南到黃閣段為4號線的二期工程,高架區(qū)間全長22.2 km,除個別跨越河流、道路等特殊地段采用連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁等結(jié)構(gòu)外,其余均為簡支箱梁。綜合考慮現(xiàn)場的自然環(huán)境、人工構(gòu)筑物、運(yùn)輸條件及施工環(huán)境等因素,主要采用了整孔預(yù)制架設(shè)和節(jié)段拼裝2種施工方案。其中,整孔預(yù)制的簡支箱梁架設(shè)里程為12.1 km,共357孔,開創(chuàng)了國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域大規(guī)模采用整孔預(yù)制、吊裝、架設(shè)箱形梁的先河。

2 整孔簡支箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.1 線路情況

廣州地鐵4號線的線路設(shè)計(jì)為雙線,直線地段線間距為4.0 m,曲線地段根據(jù)半徑和曲線超高不同選用不同線間距,最大值為4.25 m。線路最小曲線半徑600 m,設(shè)計(jì)最大行車速度為90 km/h。

2.1.2 設(shè)計(jì)荷載

結(jié)構(gòu)自重按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—1999)采用,二期恒載包含保護(hù)層、防水層、板式道床、鋼軌結(jié)構(gòu)、擋板、電纜及其支架、三軌支撐設(shè)備、緊急疏散平臺、橫坡墊層等重量,本設(shè)計(jì)中按雙線76 kN/m計(jì)算。

活載采用4號線列車活載,具體圖式見圖1。設(shè)計(jì)時考慮了列車活載的動力作用。此外,計(jì)算中按規(guī)范要求計(jì)入了列車運(yùn)行產(chǎn)生的離心力。

圖1 列車活載圖式(單位：m)

對于風(fēng)力、列車橫向搖擺力以及列車脫軌荷載和施工臨時荷載均按規(guī)范進(jìn)行了設(shè)計(jì)和檢算。

2.1.3 橋面布置

廣州地鐵4號線列車采用直線電機(jī)系統(tǒng),其供電方式為第三軌供電,取消了傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)；橋面寬度不隨線間距的變化而改變,統(tǒng)一為9.3 m；橋面最外側(cè)設(shè)置預(yù)制的混凝土欄桿,局部地段在其上加裝聲屏障,欄桿內(nèi)側(cè)設(shè)置強(qiáng)電電纜支架；為滿足軌道交通緊急情況下的人員疏散要求,在橋面中心位置預(yù)留底座,安裝疏散平臺,并在疏散平臺立柱上設(shè)置弱電電纜支架；全部采用預(yù)制混凝土軌道板,軌道超高以及空間位置調(diào)節(jié)通過軌道板尺寸和扣件調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。橋面布置見圖2。

圖2 橋面布置示意(單位：mm)

2.2 跨度設(shè)計(jì)

廣州地鐵4號線的整孔簡支箱梁主型跨度為30 m,輔助跨度為25 m,個別地段根據(jù)配跨需要設(shè)計(jì)了28.4、27.5、25.4、20 m等非標(biāo)準(zhǔn)跨度梁共13孔。為便于工廠預(yù)制,提高模板的使用效率,降低制梁成本,各種跨度的整孔梁只將截面無變化的跨中段長度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,且預(yù)制梁體的端模設(shè)計(jì)為可移動式模板,大大降低了非標(biāo)準(zhǔn)跨度梁體的預(yù)制成本。

以30 m跨度梁為例,梁體實(shí)長29.9 m,支座中心距為28.8 m,支點(diǎn)距離梁端0.55 m,滿足受力和構(gòu)造的要求。

2.3 截面形式

梁體采用了單箱單室結(jié)構(gòu),梁面寬9.3 m,梁底寬4.0 m,梁高1.7 m；腹板為斜腹板,傾斜度為1∶4,既滿足受力需求,又使梁體外形簡潔、清秀、美觀,且脫模方便；支座的橫向中心距為2.8 m；梁體縱向采取頂板、底板、腹板漸變的形式,滿足受力要求；在梁端頂?shù)装搴透拱寮雍褫^多,一是滿足預(yù)應(yīng)力束錨固要求,二是改善支點(diǎn)受力狀況,三是起到端隔板的作用,提高梁體的動力特性。圖3為梁體縱剖面和橫截面示意。

圖3 30 m整孔箱梁示意(單位：mm)

2.4 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)依據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—1999)和《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003),按照全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)對梁體在張拉、存梁、吊裝、運(yùn)輸、架設(shè)以及運(yùn)營階段的受力狀況進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算,據(jù)其結(jié)果配置預(yù)應(yīng)力束。根據(jù)對斜截面強(qiáng)度、梁體抗扭以及箱梁截面的環(huán)框受力分析和計(jì)算結(jié)果,結(jié)合構(gòu)造要求,合理配置了梁體普通鋼筋。30 m整孔箱梁的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 30 m整孔預(yù)制簡支箱梁的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.5 梁體線形控制

30 m整孔箱梁在梁體自重和預(yù)應(yīng)力荷載作用下,跨中上拱值為26.7 mm；在靜活載作用下跨中下?lián)?.4 mm；3年后收縮徐變?nèi)客瓿蓵r梁體的上拱度為40.7 mm。因此,梁體預(yù)制時需要設(shè)置反拱,反拱設(shè)置按照3年時梁體的上拱度減去0.5倍靜活載作用下的撓度計(jì)算,其值為36 mm。

廣州地鐵4號線采用無砟軌道系統(tǒng),軌道鋪設(shè)完成后,軌道調(diào)高只能通過扣件來實(shí)現(xiàn),調(diào)高值十分有限；加之4號線采用直線電機(jī)系統(tǒng),電機(jī)感應(yīng)板安裝于軌道板上,在施工完成后對于豎向的位移十分敏感,若梁體上拱過大,則產(chǎn)生不平順和凸起,嚴(yán)重影響線路運(yùn)營。因此,4號線對于梁體的后期徐變拱度提出了十分嚴(yán)苛的要求,需控制在10 mm以內(nèi),經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算和合理設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束,本線簡支整孔箱梁的后期徐變拱度均滿足要求,其中,30 m梁的后期徐變拱度理論計(jì)算值為5.97 mm。經(jīng)過監(jiān)測單位的長期觀測,所獲后期徐變拱度的數(shù)據(jù)均小于理論計(jì)算值。

3 構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 疏散平臺基礎(chǔ)臺座

與鐵路橋梁不同,絕大多數(shù)軌道交通的橋梁上均需設(shè)置緊急疏散平臺(亦稱逃生平臺),不同城市、不同線路由于標(biāo)準(zhǔn)和線路線間距、列車情況的不同,緊急疏散平臺也會采取不同的設(shè)置方式。廣州地鐵4號線的疏散平臺設(shè)置方式為：在橋梁中心線預(yù)留基礎(chǔ)臺座,待軌道鋪設(shè)完畢后,在臺座上安裝鋼結(jié)構(gòu)的立柱,之后在立柱上方鋪設(shè)預(yù)制混凝土板。

基礎(chǔ)臺座為400 mm×400 mm的矩形鋼筋混凝土,高度為250 mm,位于橋面中心線上,間距為1 250 mm。混凝土臺座設(shè)計(jì)時考慮疏散平臺自重及其上活載的作用,并結(jié)合立柱的錨固形式配置適量的普通鋼筋?；炷僚_座在梁體預(yù)制時一并澆筑。

3.2 排水孔

廣州地鐵4號線橋面排水層設(shè)置為“V”字形橫坡,橋面雨水匯集后沿橋面中心線區(qū)域流向靠近梁端設(shè)置的排水孔,通過埋設(shè)其內(nèi)的排水管排出。梁體預(yù)制時在距離梁端945 mm和1 475 mm的位置沿橋面中心線縱向在頂板上預(yù)留2個φ270 mm的排水管孔。梁體梁端均預(yù)留此孔,當(dāng)梁體位于坡道上只需一端排水時,則將另一端的預(yù)留孔用微膨脹混凝土封堵,并做防水處理。因排水管孔徑較大,對頂板鋼筋有所影響,在設(shè)計(jì)中對孔洞周圍鋼筋按照受力計(jì)算要求和構(gòu)造進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)。

此外,為防止因特殊原因在梁體箱內(nèi)積水,在底板上亦設(shè)置了2個φ80 mm的泄水孔。

3.3 梁端進(jìn)人孔

考慮到梁體后期養(yǎng)護(hù)維修以及排水管道安裝檢修的需要,本設(shè)計(jì)中在梁端設(shè)置了進(jìn)人孔。進(jìn)人孔在梁端底板預(yù)留1 550 mm×250 mm的開槽,相鄰兩孔梁架設(shè)完成后,在橋墩頂部兩個開槽相對形成了一個較大的進(jìn)人孔(圖4)。進(jìn)人孔設(shè)置在此位置不影響預(yù)應(yīng)力鋼束的布置,對梁體受力影響甚微。進(jìn)人孔隱藏在橋墩頂部,不影響橋梁的外觀線條連續(xù)性,較為美觀,同時也有利于檢修人員利用墩頂工作和進(jìn)出梁體箱內(nèi)。

圖4 梁端進(jìn)人孔示意圖

4 線形布置

軌道交通的線路較之鐵路線路,具有曲線多、半徑小、坡度變化多的特點(diǎn),廣州地鐵4號線使用整孔梁的地段最小曲線半徑為600 m。整孔梁在預(yù)制時無法做成曲梁,因此橋梁在曲線上的布置成為設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。4號線橋梁的線形布置以平分中矢法為原則,結(jié)合線路特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。在橋梁布置計(jì)算中考慮了以下因素：

(1)軌道交通線路以右線里程為準(zhǔn),所有計(jì)算均以右線的連續(xù)里程為基礎(chǔ)；

(2)軌道交通的橋梁位置的確定與鐵路橋梁按照橋墩中心里程和橋梁偏角的方式不同,要求對所有有關(guān)位置的數(shù)據(jù)提供大地坐標(biāo)；

(3)限界在不同地段的數(shù)值不同,隨曲線半徑的調(diào)整有所變化,在直線地段向曲線地段過渡時采用線性漸變的方式；

(4)鋪設(shè)軌道板和無縫線路要求的精度高,且對梁縫寬度有明確限制。

綜合以上因素,按照平分中矢法的基本原則,在設(shè)計(jì)中推導(dǎo)出了曲線地段梁跨布置的計(jì)算公式,并編制了計(jì)算程序和表格,為箱梁預(yù)制、架設(shè)以及支座安裝提供了大量詳細(xì)而精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

對于曲線地段梁縫的處理,保持內(nèi)側(cè)梁縫寬度100 mm不變,通過加長外側(cè)梁體長度來實(shí)現(xiàn)。預(yù)制梁體的端模設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)模板,通過旋轉(zhuǎn)端模使梁體外側(cè)加長,呈一楔形,以解決外側(cè)梁縫過寬的問題。為便于制造,對外側(cè)梁體加長值進(jìn)行歸類,共設(shè)置4種加長值,全部滿足了軌道專業(yè)提出的外側(cè)梁縫不能超過170 mm的要求。全線共按此方式處理了145孔整孔箱梁。

梁端處理時根據(jù)該孔梁在線路中所處的位置,分左側(cè)和右側(cè)兩種加長方式,每孔梁在線路上的位置唯一確定,制造、架設(shè)時均編號對應(yīng)。

5 架設(shè)工藝及檢算

廣州地鐵4號線的整孔箱梁通過利用橋梁本身做為運(yùn)輸通道,通過運(yùn)架設(shè)備在已架梁體和橋墩上走行和落梁安裝。該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)鐵路客運(yùn)專線上大規(guī)模應(yīng)用,比較成熟、可靠。

針對此種架橋工藝,橋梁設(shè)計(jì)時有兩個需要重點(diǎn)考慮和檢算的環(huán)節(jié),一是橋梁的起吊,二是運(yùn)架設(shè)備(一般是由架橋機(jī)和運(yùn)梁車組成,也有運(yùn)架一體機(jī))在走行和落梁安裝過程中對已架橋梁以及橋墩的荷載作用。

圖5 吊點(diǎn)布置示意(單位：mm)

廣州地鐵4號線30 m整孔梁的起吊重量為4 100 kN,吊點(diǎn)設(shè)置在梁端頂板厚度無變化段,每孔梁設(shè)置8個吊點(diǎn),具體位置見圖5。每個吊點(diǎn)的吊具支承面積需大于400 mm×400 mm,在吊梁過程中保持8個吊點(diǎn)均衡受力,且支承處與梁體密貼。吊點(diǎn)周圍的鋼筋根據(jù)受力需要進(jìn)行加強(qiáng),計(jì)算得出的混凝土應(yīng)力和裂縫寬度均在規(guī)范的限值之內(nèi)。

廣州地鐵4號線整孔梁的運(yùn)架分為2個標(biāo)段,使用的設(shè)備各不相同,設(shè)計(jì)中需要按照運(yùn)架設(shè)備在運(yùn)輸、提梁、移位、落梁各個過程中的不同工況,對梁體的強(qiáng)度安全系數(shù)、抗裂安全系數(shù)、混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力以及局部承壓能力等進(jìn)行檢算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對運(yùn)架設(shè)備提出改進(jìn)意見。4號線所采用的運(yùn)架設(shè)備在改進(jìn)后順利完成了預(yù)定架設(shè)目標(biāo),通過對梁體在運(yùn)架過程中的受力情況監(jiān)測,較好地驗(yàn)證了理論計(jì)算的結(jié)果。

6 結(jié)語

廣州地鐵4號線大規(guī)模采用整孔預(yù)制箱梁,由于其在梁場預(yù)制,質(zhì)量得以保證,且有利于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化生產(chǎn),有效地提高了制梁效率。利用已架設(shè)橋梁作為架梁通道進(jìn)行整孔架設(shè),不受線路沿線運(yùn)輸條件限制,施工速度快(平均每天可架2孔),現(xiàn)場工作量小,并且對沿線道路交通、地面建筑物影響小,節(jié)省工程費(fèi)用。同時,制梁工作和橋梁下部基礎(chǔ)施工可同時開展,有利于縮短工期。

整孔預(yù)制箱梁在廣州地鐵4號線的成功應(yīng)用,為該項(xiàng)技術(shù)在工期要求緊、跨越道路多、對環(huán)境要求嚴(yán)苛的軌道交通領(lǐng)域推廣使用積累了經(jīng)驗(yàn)。

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