廣州地鐵十四號線預制拼裝全剛構橋梁理論分析

何建梅，郭敏，陳亮

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州510010）

1 引言

目前，軌道交通常用的簡支梁體系、連續(xù)梁系統(tǒng)支座及伸縮縫數(shù)量非常多，增加了維護成本，支座更換將影響軌道交通的正常運營，通過研究預制拼裝全剛構體系解決上述問題。地鐵高架橋的抗震性能不僅關系到城市的交通秩序的健康穩(wěn)定，而且更是人們生命安全的重要保障，需保證全剛構體系在罕遇地震作用下使得結構達到抗震性能I的要求，結構基本處于彈性工作狀態(tài)，地震后不損壞或輕微損壞，能夠保持其正常使用功能【1】。為確保行車的舒適性及安全性，軌道交通全剛構體系在設計上應使結構橫向自振頻率盡可能避開列車蛇形運動頻率【2】。通過風-車-橋耦合振動分析研究保證列車通過高架橋梁時的運營性能處于較優(yōu)良狀態(tài)。

2 預制拼裝全剛構體系優(yōu)化設計

廣州市軌道交通十四號線長大區(qū)間大規(guī)模采用全剛構體系橋梁，全剛構體系采用4×40m大跨度結構，梁高2m，梁頂寬10m，梁底寬2.4m，相比傳統(tǒng)的箱梁底寬更小，詳見圖1。40m的大跨度全剛構體系給城市地上、地下的交通走廊留出更大的發(fā)展空間。主梁采用預制節(jié)段拼裝工法，邊墩通過后澆橫隔梁與主梁固接，中墩通過預留的后澆段與中墩固接。全剛構系統(tǒng)增加結構的跨度，使結構受力更合理，并且大大降低了伸縮縫的維護成本及免除支座的維護成本，經(jīng)濟性更優(yōu)。

預制拼裝連續(xù)剛構主要步驟包括：節(jié)段懸掛定位，膠拼及臨時預應力張拉，簡支束張拉，落梁至臨時墩，架橋機過孔，濕接縫澆筑，連續(xù)鋼束張拉，邊墩頂后澆混凝土澆筑等環(huán)節(jié)。廣州地鐵十四號線長大區(qū)間高全剛構體系詳見圖2。

圖1 廣州軌道交通十四號線長大區(qū)間連續(xù)剛構橫斷面圖

圖2 廣州地鐵十四號線長大區(qū)間高全剛構體系

由于縱向預應力鋼束的擴散距離要求，預應力在邊墩頂橫隔梁范圍作用不大，需通過配置不同的鋼筋，避免墩梁固接連接處開裂。全剛構體系橋梁邊墩頂后澆橫隔梁鋼筋配置按不同的受力需求進行配置，頂、底板縱向鋼筋抗彎及抗剪，橫向鋼筋抗剪，詳見圖3。

圖3 邊墩落梁工況下端節(jié)段鋼筋構造圖

通過BIM設計技術，發(fā)現(xiàn)常規(guī)設計的預制端節(jié)段縱橫向水平鋼筋與橋墩豎向鋼筋、預埋在橋墩內的豎向排水管發(fā)生碰撞，存在無法落梁的施工風險。通過在梁場采用定位卡槽固定鋼筋，用鋼管精確定位模擬橋墩豎向鋼筋及排水管，進行碰撞檢查，配置U型鋼筋等措施解決無法落梁的風險，詳見圖3。

3 全剛構體系自振特性分析

蛇行運動是行駛列車導致橋梁橫向振動的最主要原因之一【3】。為確保行車的舒適性及安全性，軌道交通橋梁在設計上應使橋梁結構橫向自振頻率盡可能避開列車蛇形運動頻率（約0.6～0.8Hz）【4】。

根據(jù)不同的墩高，對廣州地鐵十四號線預制節(jié)段拼裝全剛構體系橋梁的自振特性進行了全面的研究分析。

研究跨度組合為4×40m、3×40m全剛構體系橋梁隨著墩高變化引起的橫向自振頻率變化規(guī)律。

如圖4所示，橋梁橫向自振頻率隨著墩高增加而降低，且橫向自振頻率隨著孔跨數(shù)的減少而減小。

4 全剛構體系抗震性能分析

廣州地鐵十四號線高架段抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，場區(qū)所屬的設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，設計特征周期為0.35s。

圖4 不同墩高連續(xù)剛構自振頻率

根據(jù)Midas civil中M-Φ曲線的結果，可利用彎矩-曲率曲線評價截面的性能，首先判斷橋墩在順橋向地震作用及橫橋向地震作用下是否進入屈服狀態(tài)，屈服狀態(tài)以截面最外層鋼筋首次屈服為準【5】。

表1 墩底屈服狀態(tài)判別

表1為墩高14m的4×40m預制拼裝全剛構體系橋梁的計算結果。由結果可知，全剛構體系橋梁墩頂及墩底截面在罕遇地震作用下未進入屈服狀態(tài)，在罕遇地震作用下橋梁結構達到抗震性能I的要求。

5 全剛構體系運營性能分析

選取墩高為14m、18m及20m的4×40m預制節(jié)段拼裝全剛構體系全橋分析模型，進行風—車—橋系統(tǒng)空間耦合振動動力響應仿真計算與分析研究，計算模型設計車速為120km/h，檢算為140km/h。分析計算模型采用動力學勢能駐值原理及形成矩陣的“對號入座”法則。

采用全橋分析模型分別計算了系統(tǒng)在無風、風速為15m/s，20m/s和25m/s情況下的橋梁的豎向與橫向位移、車輛豎向與橫向加速度、輪對脫軌系數(shù)、輪重減載率等。軌道不平順函數(shù)采用了美國六級譜不平順標準。直線電機車輛對軌道沖擊作用產(chǎn)生振動，通過結構（橋梁墩臺、軌道、軌道梁）傳遞，誘發(fā)二次振動。

5.1 風-車-橋系統(tǒng)動力特性計算分析

計算墩高14m、18m及20m的4×40m預制節(jié)段拼裝全剛構體系在無風狀態(tài)下和各風速下的橋梁響應最大值，其中，墩頂橫向位移值均為相對于初始平衡位置而言（見圖5）。

圖5 不同墩高墩頂橫向位移

如圖5所示，橋墩墩頂最大橫向位移呈現(xiàn)出隨車速增加而增大的趨勢。有風工況下的橋梁響應均大于無風工況，橋梁的動力響應均在容許值以內。

5.2 車輛動力響應

表2給出了14m、20m墩高4×40m剛構在無風狀態(tài)下和各風速下的動車車輛響應最大值。

表2 動車動力響應最大值

根據(jù)廣州地鐵實際運營情況，可以采用20m/s風速作為風-車-橋耦合振動分析計箅風速。由表2可得，脫軌系數(shù)、輪重減載率及列車行車舒適性指標隨著風速增大而增加。

當風速為20m/s，B型車以120km/h通過該全剛構體系時，橋梁的動力響應均在容許值以內，脫軌系數(shù)＜0.8；輪重減載率＜0.6，列車行車安全性滿足要求；舒適性指標為2.50～2.75，列車行車舒適性滿足“良好”要求。

當橋面平均風速達到25m/s時，B型車分別以120km/h通過全剛構體系時，橋梁的安全性指標均在容許值以內，但列車行車舒適性不滿足要求，應限速通行。

6 結語

對廣州地鐵十四號線全剛構體系關鍵技術進行研究，分析邊墩后澆帶鋼筋設置原則、全剛構體系橋梁橫向自振頻率、罕遇地震下橋墩的屈服狀態(tài)、全剛構體系的運營性能，得出以下結論：

1）通過研究分析，制定預制拼裝全剛構體系邊墩頂后澆段鋼筋配置原則：頂板縱向、底板縱向水平鋼筋主要用于承擔梁端彎矩，并承擔頂?shù)装褰佑|面?zhèn)鬟f的剪力。

2）對于不同墩高，連續(xù)剛構橫向自振頻率隨著單孔跨徑增加而降低。預制拼裝全剛構體系橋梁橫向自振頻率已避開列車蛇形運動頻率。

3）廣州地鐵十四號線預制拼裝全剛構體系橋梁在罕遇地震作用下，橋墩混凝土只開裂并未進入屈服狀態(tài)。

4）列車在有風條件下通過橋梁時，當橋面平均風速等于或低于20m/s時故可暢通運行；當橋面平均風速達到25m/s時，可限速通行；當橋面平均風速達到30m/s，禁止通行。