軌道交通U型梁橋下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度合理值研究

馬坤全 陳 宇 潘湘文

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,200092,上海∥第一作者,副教授、博士)

0 引言

U型梁橋因其具有建筑高度低、隔音效果好、斷面空間利用率高、行車安全及外形美觀、視覺(jué)效果好等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越成為城市軌道交通高架結(jié)構(gòu)的首選橋型[1]。軌道交通高架區(qū)間一般采用30 m跨徑簡(jiǎn)支小U結(jié)構(gòu)(現(xiàn)場(chǎng)整體預(yù)制單線小U梁,吊裝架設(shè))或大U結(jié)構(gòu)(工廠預(yù)制雙線U梁節(jié)段,架橋機(jī)節(jié)段拼裝),墩柱采用單墩或雙柱結(jié)構(gòu)。

高架橋上通常采用支承塊式承軌臺(tái)(部分區(qū)段因減振降噪需要采用浮置板)無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu),鋪設(shè)無(wú)縫線路,采用60 kg/m鋼軌、WJ-2型小阻力彈性扣件[2]。

無(wú)縫線路鋼軌在高架結(jié)構(gòu)上的受力狀態(tài)不同于路基。由于結(jié)構(gòu)溫度變化、列車在高架橋上制動(dòng)以及梁跨撓曲等使高架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形,導(dǎo)致鋼軌產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,同時(shí)無(wú)縫線路鋼軌中的附加力又作用于高架結(jié)構(gòu)。這種因結(jié)構(gòu)物與軌道的相互作用而產(chǎn)生的附加力大小,在很大程度上取決于下部結(jié)構(gòu)的縱向剛度,以及上部結(jié)構(gòu)跨度、剛度及橋長(zhǎng),并有可能影響行車安全。為保證橋上軌道穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求,我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2003)[3]、《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ 08—109—2004)、《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)及《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[4]等規(guī)范均對(duì)墩臺(tái)頂最小縱向水平剛度作出明確規(guī)定,德國(guó)、西班牙等國(guó)的高速鐵路也作了類似的限制。

盡管軌道交通高架區(qū)間墩柱縱向剛度設(shè)計(jì)可參考上述規(guī)范的有關(guān)條文進(jìn)行,但上述規(guī)范應(yīng)用的范圍及其合理性值得進(jìn)一步探討。例如:《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》考慮的是0.8 UIC荷載,設(shè)計(jì)荷載是城市軌道交通荷載2倍以上,相應(yīng)客車行車速度為300～350 km/h,且其加載長(zhǎng)度理論上為無(wú)限長(zhǎng)。而城市軌道交通列車編組一般為6輛或8輛,加載長(zhǎng)度為有限值。因此該規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高。如果城市軌道交通全部按照該規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),將較大幅度地增加不必要的工程投資,同時(shí)也會(huì)給城市橋梁設(shè)計(jì)美學(xué)的要求帶來(lái)困難。目前頒布的《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》或《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》由于編制時(shí)間比較倉(cāng)促,有關(guān)條文也是直接引用干線鐵路(包括京滬高速鐵路)的研究成果,并未做過(guò)深入的研究。因此,應(yīng)根據(jù)軌道交通系統(tǒng)的具體模式開(kāi)展梁軌相互作用研究,并制定鋪設(shè)焊接長(zhǎng)鋼軌的混凝土簡(jiǎn)支梁橋下部結(jié)構(gòu)最小縱向水平線剛度的合理值。

1 U型梁橋梁軌相互作用計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

取7跨跨徑為30 m的單線簡(jiǎn)支U梁作為計(jì)算對(duì)象[5],兩端路基上鋼軌長(zhǎng)度取L+40 m=70 m,模擬軌道縱向位移阻力的非線性彈簧單元間距為1 m。主梁及道床板均采用板殼單元模擬,鋼軌用空間梁?jiǎn)卧M,鋼軌與主梁間連接采用非線性彈簧單元模擬,支座、立柱及基礎(chǔ)對(duì)橋跨的縱向約束(即下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度)采用線性彈簧模擬,道床板形心線至鋼軌及道床板形心線至支座間用剛臂單元連接。

采用Ansys軟件建立的軌道交通單線U型梁橋梁軌相互作用計(jì)算模型如圖1所示。其總節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 076,總單元數(shù)為 4 984。其中,板殼(shell 63)單元 1 568個(gè),梁(beam 188)單元 1 190個(gè),彈簧(combin 39)單元2 226個(gè)。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)與橋梁相互作用計(jì)算模型

1.2 高架結(jié)構(gòu)梁軌相互作用計(jì)算條件

根據(jù)軌道交通高架結(jié)構(gòu)形式、車輛模式、軌道結(jié)構(gòu)形式等特點(diǎn),并參考干線鐵路橋梁軌相互作用計(jì)算條件,擬定表1所示軌道交通高架橋梁軌相互作用計(jì)算條件[5-6]。

表1 梁軌相互作用計(jì)算條件

1.3 高架橋上鋼軌附加力計(jì)算結(jié)果

1.3.1 高架橋上鋼軌制動(dòng)力

1.3.1.1 鋼軌制動(dòng)力沿橋縱向的分布

圖2為7跨跨徑為30 m的單線等跨簡(jiǎn)支梁組成的高架結(jié)構(gòu)在不同下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼軌(單軌)制動(dòng)力沿橋縱向的分布情況(圖中K值為橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度;左邊墩橫坐標(biāo)為0,右邊墩橫坐標(biāo)為210,下同)。由圖2可看出,對(duì)于不同下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度,其鋼軌制動(dòng)力沿橋縱向的分布規(guī)律一致;鋼軌中制動(dòng)力峰值出現(xiàn)在梁縫及路基與橋梁的連接處,且路橋結(jié)合部鋼軌制動(dòng)力最大。

圖2 鋼軌制動(dòng)力沿橋縱向分布

1.3.1.2 鋼軌最大制動(dòng)力與下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度關(guān)系

圖3為鋼軌制動(dòng)力幅值隨橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度變化圖。由圖3可知,高架結(jié)構(gòu)上鋼軌最大制動(dòng)力隨著下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度的降低而增加,且增長(zhǎng)幅度越來(lái)越大。

圖3 鋼軌制動(dòng)力幅值與橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度關(guān)系

1.3.1.3 梁軌相對(duì)位移

表2為制動(dòng)力作用下鋼軌與承軌臺(tái)頂在典型位置處的相對(duì)位移計(jì)算值。由表2可看出,在制動(dòng)力作用下,梁軌相對(duì)位移最大值發(fā)生在路基與橋梁結(jié)合部,并隨下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度的降低而增大。對(duì)于跨度為30 m等跨簡(jiǎn)支梁組合的高架結(jié)構(gòu),當(dāng)下部結(jié)構(gòu)單線縱向水平剛度為160 kN/cm時(shí),最大梁軌相對(duì)位移為1.15 mm;當(dāng)下部結(jié)構(gòu)單線縱向水平剛度為30 kN/cm時(shí),最大梁軌相對(duì)位移為2.33 mm。

表2 制動(dòng)力作用下不同墩位處的鋼軌與承軌臺(tái)頂?shù)南鄬?duì)位移 mm

1.3.2 高架橋上鋼軌伸縮附加力

1.3.2.1 鋼軌伸縮附加力沿橋縱向的分布

圖4為單線高架橋橋上鋼軌(單軌)伸縮附加力沿橋縱向分布情況。由圖4可知,多跨簡(jiǎn)支梁高架結(jié)構(gòu)上無(wú)縫線路鋼軌的伸縮附加力在每跨梁的兩端形成峰值。

圖4 鋼軌伸縮附加力沿橋縱向分布

1.3.2.2 鋼軌最大伸縮力與下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度的關(guān)系

圖5為高架橋上鋼軌最大伸縮附加力與橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度的關(guān)系曲線。從圖5可看出,鋼軌最大伸縮附加力隨橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度的降低而降低,但當(dāng)下部結(jié)構(gòu)單線縱向水平剛度大于1 000 kN/cm后,鋼軌最大伸縮力變化漸趨減小。

圖5 鋼軌伸縮力隨橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向剛度變化

1.3.3 高架橋上鋼軌撓曲力

1.3.3.1 鋼軌撓曲力沿橋縱向分布

圖6為多跨U型簡(jiǎn)支梁橋鋼軌撓曲力沿橋縱向分布規(guī)律。由圖6可知,鋼軌撓曲力在列車荷載作用位置出現(xiàn)峰值,但總體數(shù)值均較小。

圖6 鋼軌撓曲力沿橋縱向分布

1.3.3.2 最大鋼軌撓曲力與下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度關(guān)系

圖7為鋼軌最大撓曲力隨橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度的變化情況。從圖7可看出,鋼軌最大撓曲力隨著下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度的減少而降低,但其絕對(duì)值較小。當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)單線縱向水平剛度小于1 000 kN/cm時(shí),鋼軌的最大撓曲力隨著下部結(jié)構(gòu)剛度的增加而增大較快;當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)單線縱向水平剛度超過(guò)1 000 kN/cm時(shí),鋼軌的最大撓曲力增加則漸趨緩慢。

1.3.4 高架橋上鋼軌附加力組合

根據(jù)高架結(jié)構(gòu)鋼軌附加應(yīng)力組合原則,對(duì)于7跨跨徑為30 m簡(jiǎn)支U梁,橋上無(wú)縫線路鋼軌附加應(yīng)力組合如表3所示。

圖7 鋼軌撓曲力隨橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向剛度變化

表3 高架結(jié)構(gòu)單線不同縱向水平剛度時(shí)的鋼軌附加應(yīng)力組合

1.4 墩柱頂縱向水平力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)我國(guó)無(wú)縫線路橋梁墩柱和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)檢算方法,撓曲力和伸縮力按主力考慮,制動(dòng)力按附加力考慮。在高架結(jié)構(gòu)墩柱水平力計(jì)算中,有以下二種基本荷載組合:

組合Ⅰ:墩柱伸縮力+墩柱制動(dòng)力;

組合Ⅱ:墩柱撓曲力+墩柱制動(dòng)力。

各種荷載組合下墩柱頂水平力如表4所示。從表4可看出,高架橋上無(wú)縫線路固定區(qū)傳至墩身的縱向附加力隨橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向剛度增大而增加。

表4 墩柱頂不同單線縱向水平剛度時(shí)的縱向水平力組合

2 高架橋下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度合理值探討

表5為軌道交通高架結(jié)構(gòu)與干線鐵路橋梁作用于軌面的制動(dòng)力大小比較。由表5可知,軌道交通工程軌面制動(dòng)力僅為客運(yùn)專線相應(yīng)值的65.0%。

表6為7跨跨徑為30 m的單線簡(jiǎn)支U梁高架結(jié)構(gòu)梁軌相互作用模型分別按136.8 m加載長(zhǎng)度(相當(dāng)于6輛編組列車總長(zhǎng))和全橋滿布加載時(shí),計(jì)算所得單軌軸力、傳至墩身梁軌相互作用力及制動(dòng)條件下梁軌相對(duì)位移(橋梁下部結(jié)構(gòu)單線縱向水平剛度K=100 kN/cm)。從表6可看出,軌面制動(dòng)力按6輛編組長(zhǎng)度(L=136.8 m)加載計(jì)算的單軌軸力僅為橋梁滿布加載計(jì)算值的65.4%,按6輛編組長(zhǎng)度加載的制動(dòng)條件下的梁軌相對(duì)位移值只為全橋滿布加載計(jì)算值的41.8%。

表5 軌道交通高架結(jié)構(gòu)與干線鐵路橋梁作用于軌面的制動(dòng)力大小比較

表6 兩種加載方式比較

綜合表5和表6可知,由于軌道交通列車軌面制動(dòng)力和加載長(zhǎng)度明顯小于干線鐵路,因此,在制動(dòng)力作用下的單軌制動(dòng)力及制動(dòng)條件下的梁軌相對(duì)位移也明顯小于干線鐵路。

綜上可知,軌道交通高架結(jié)構(gòu)橋上無(wú)縫線路梁軌相互作用產(chǎn)生的縱向附加力明顯小于干線鐵路的相應(yīng)值,因此,我國(guó)現(xiàn)有《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》及《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》等規(guī)定的橋墩墩頂最小縱向水平線剛度值應(yīng)用于軌道交通高架橋設(shè)計(jì)明顯偏大,可適當(dāng)放寬;當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)單線縱向剛度不小于100 kN/cm時(shí),制動(dòng)條件下梁軌相對(duì)位移幅值、鋼軌附加應(yīng)力及墩頂縱向水平位移均滿足相應(yīng)限值要求[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軌道交通典型區(qū)間多跨簡(jiǎn)支U梁結(jié)構(gòu)橋上無(wú)縫線路梁軌相互作用分析,以及軌道交通與干線鐵路不同列車模式(主要為軌面制動(dòng)力大小和加載長(zhǎng)度)對(duì)梁軌相互作用影響的深入探討,并將其研究成果與常用的多跨簡(jiǎn)支箱梁和T梁結(jié)構(gòu)橋上無(wú)縫線路梁軌相互作用分析結(jié)果[5]比較,可得到如下結(jié)論:

(1)多跨簡(jiǎn)支U梁結(jié)構(gòu)橋上無(wú)縫線路梁軌相互作用力(鋼軌制動(dòng)力、伸縮力及撓曲力)沿橋縱向的分布規(guī)律及其隨下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度的變化規(guī)律與傳統(tǒng)的箱梁和T型梁結(jié)構(gòu)基本一致;U梁結(jié)構(gòu)高架橋上無(wú)縫線路梁軌相互作用傳至墩身縱向附加力(制動(dòng)力、伸縮力及撓曲力)隨下部結(jié)構(gòu)縱向水平剛度的變化規(guī)律也與傳統(tǒng)的箱梁和T型梁結(jié)構(gòu)基本相同。

(2)U梁結(jié)構(gòu)高架橋上無(wú)縫線路鋼軌制動(dòng)力、伸縮力,與傳統(tǒng)的箱梁和T型梁結(jié)構(gòu)相差不大,但鋼軌撓曲力則明顯小于傳統(tǒng)的箱梁和T型梁結(jié)構(gòu)計(jì)算值。

(3)我國(guó)現(xiàn)有《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的橋墩墩頂最小縱向水平線剛度值應(yīng)用于軌道交通高架橋設(shè)計(jì)明顯偏大,可適當(dāng)放寬;軌道交通典型高架區(qū)間(跨徑為30 m的U梁簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu))下部結(jié)構(gòu)單線最小縱向水平剛度取為100 kN/cm,雙線橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向剛度最小限值取為200 kN/cm,能滿足橋上無(wú)縫線路穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求。

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