跨座式單軌2×70 m 組合轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)創(chuàng)新

焦亞萌 劉永鋒 趙 博

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

跨座式單軌是一種通過(guò)單根軌道來(lái)支撐、穩(wěn)定和導(dǎo)向,車體騎跨在軌道梁上運(yùn)行的鐵路[1-2],具有適應(yīng)性強(qiáng)、噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。由于軌道梁本身結(jié)構(gòu)尺寸較小,對(duì)應(yīng)不同要求的跨越點(diǎn),可采用不同的結(jié)構(gòu)形式[4]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)跨座式單軌的橋梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究,劉永鋒對(duì)重慶輕軌PC 軌道梁進(jìn)行了系統(tǒng)地設(shè)計(jì)總結(jié)[5];竇仲贊介紹一種簡(jiǎn)支變連續(xù)的軌道梁方案,其跨度達(dá)到30 m[6];邱靖權(quán)等結(jié)合某(40+60+40) m 懸掛式連續(xù)鋼軌道梁橋設(shè)計(jì),分析該橋在不同荷載組合下的應(yīng)力與變形;并研究比較各截面參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及用鋼量的影響[7]。一般情況下,對(duì)于超過(guò)50 m 的大跨節(jié)點(diǎn),常采用雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)(即梁上托梁的形式)[8],作為橋梁整體承力結(jié)構(gòu),而單軌車輛騎跨的軌道梁,則只承受單軌列車的活載[9],通過(guò)抗拉支座和墊石,將列車活載傳遞給托梁,并不參與整體受力[10]。根據(jù)跨越點(diǎn)跨度、景觀及經(jīng)濟(jì)性,可采用連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁拱橋、斜拉橋等結(jié)構(gòu)形式[11-13]。如我國(guó)重慶單軌的魚洞長(zhǎng)江大橋、新華立交橋等均采用梁上托梁的結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單,但總體結(jié)構(gòu)較高,經(jīng)濟(jì)性差。針對(duì)以上情況,結(jié)合蕪湖軌道交通2 號(hào)線上跨寧安城際2×70 m轉(zhuǎn)體組合梁,介紹一種適用中等跨徑的新型組合軌道梁結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

工程位于蕪湖軌道交通2 號(hào)線與寧安客專交匯處,橋址區(qū)地震基本烈度6 度,地震動(dòng)峰值加速度為0.075g。一月平均氣溫2.9℃,極端最低氣溫-13.1 ℃,七月平均氣溫28.7 ℃,極端最高氣溫為41 ℃。地層主要為粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r。

交叉處孔跨布置為2-70 m T 構(gòu)鋼混組合梁,全長(zhǎng)140 m。平面位于直線上,立面位于半徑3 000 m 的豎曲線上,關(guān)于中墩對(duì)稱,兩側(cè)設(shè)5‰的人字坡,全橋立面見圖1。

2 設(shè)計(jì)構(gòu)思

本線跨越寧安客專后,線路沿北京路繼續(xù)向東敷設(shè),以R=100 m 的小半徑轉(zhuǎn)向北后進(jìn)入弋江路站,且距離車站較近,需采用大坡度降低軌面高程。小半徑加大坡度會(huì)極大影響乘車舒適度,如能將坡度優(yōu)化至3%,將有效改善乘車舒適性[14-15]。

常規(guī)的梁上梁體系見圖2,由PC 軌道梁、支座、墊塊構(gòu)成,軌面到梁頂面總高度為3.2 m。因結(jié)構(gòu)較高,線路縱坡無(wú)法降至3%,不利于軌道線形及行車的舒適性。因此,可從結(jié)構(gòu)高度上考慮優(yōu)化。

圖2 常規(guī)梁上梁結(jié)構(gòu)(單位:mm)

為了解決該問(wèn)題,最初考慮采用混凝土軌道梁與托梁全固結(jié)的形式。結(jié)構(gòu)斷面見圖3。經(jīng)過(guò)初步試算,軌道梁混凝土應(yīng)力超標(biāo),故予以舍棄。

圖3 混凝土軌道梁固結(jié)方案斷面(單位:mm)

在混凝土軌道梁固結(jié)方案不可行的情況下,考慮采用鋼梁來(lái)代替混凝土軌道梁,最初方案如圖4 所示,該方案基本可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖,使鋼軌道梁參與整體結(jié)構(gòu)受力,但施工混凝土托梁時(shí)需要預(yù)埋鋼軌道梁,難度較大;如采用鋼軌道與預(yù)埋段分開,后期再焊接的方式,線形調(diào)整又很困難。因此,需要對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 鋼軌道梁固結(jié)方案斷面(單位:mm)

最終采用如圖5 所示結(jié)構(gòu),兼顧了材料、結(jié)構(gòu),施工可行性等多方面因素。該方案上部軌道梁為鋼梁,下部為混凝土托梁,兩者之間通過(guò)承軌臺(tái)進(jìn)行后期連接。軌道梁和托梁相對(duì)獨(dú)立,在混凝土托梁施工時(shí),可同步加工制造軌道梁,通過(guò)調(diào)整兩者直接結(jié)合的時(shí)間,來(lái)調(diào)整兩結(jié)構(gòu)分擔(dān)的恒載和減小二者之間的收縮徐變力。

圖5 斷面布置(單位:mm)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

3.1 主梁

主梁由下部混凝土托梁和上部鋼軌道梁兩部分組成。混凝土托梁采用變高度單箱單室直腹板箱梁結(jié)構(gòu),中墩處梁高6.9 m,梁端處梁高3.2 m。梁頂寬9.6 m,底板寬5.6 m,頂板35 cm,兩側(cè)懸臂板長(zhǎng)2.0 m,懸臂板端部厚20 cm,根部厚60 cm。變高段底板厚35～180 cm。腹板厚度分兩次過(guò)渡,為50～75～100 cm。全梁設(shè)置3 道橫隔板,中支點(diǎn)處橫隔板厚340 cm,邊支點(diǎn)處端橫梁厚150 cm,3 處橫隔板均設(shè)有過(guò)人洞。

鋼軌道梁采用總高1.5 m,外寬0.55 m 箱形截面。頂板厚24 m m,底板厚24 mm,腹板厚16 mm。每間隔1.25 m 設(shè)隔板,每個(gè)鋼梁節(jié)段兩端采用封閉隔板,隔板之間采用氣密防腐。腹板外側(cè)設(shè)置穩(wěn)定面及導(dǎo)向面,板厚16 mm。頂板下方中部設(shè)置1 道縱肋,板厚20 mm。

有限元計(jì)算中,鋼軌道梁和混凝土托梁采用雙單元模擬,兩者之間采用彈性連接。建立分析模型見圖6。

圖6 有限元分析模型

鋼軌道梁和混凝土托梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力 MPa

鋼軌道梁和混凝土主梁之前通過(guò)承軌臺(tái)固結(jié),承軌臺(tái)截面為矩形截面,寬1.3 m,高0.35 m。承軌臺(tái)由梁端向跨中6.1 m 處設(shè)置1 道10 cm 斷縫,中間段按順橋向每2.4 m 設(shè)置1 道10 cm 斷縫,用于橋面排水。

組合結(jié)構(gòu)中,由混凝土托梁與鋼軌道共同作用承擔(dān)外荷載,對(duì)二者的抗彎剛度關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表2。

表2 截面抗彎剛度

分別計(jì)算組合結(jié)構(gòu)和各自獨(dú)立結(jié)構(gòu)在活載作用下的撓度,結(jié)果見表3。

表3 活載結(jié)構(gòu)撓度 mm

由表1、表2 可知,混凝土托梁對(duì)組合結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼軌道梁。組合結(jié)構(gòu)的荷載主要由混凝土托梁承擔(dān)。

3.2 承軌臺(tái)連接構(gòu)造

鋼軌道梁與混凝土托梁協(xié)同受力,類似于結(jié)合梁,不同的是,本橋鋼結(jié)構(gòu)位于上方,受日照等溫度影響較大。因此,兩者之間結(jié)合部的連接構(gòu)造設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。本橋承軌臺(tái)的設(shè)計(jì)中,考慮開孔板剪力件與剪力釘兩種連接構(gòu)造方案。

(1)開孔板剪力件方案

每個(gè)鋼軌道梁下方腹板各設(shè)置1 道16 mm 厚鋼板,鋼板上設(shè)置兩排孔,孔徑50 mm,孔間距140 mm。每個(gè)孔內(nèi)橫穿φ16 mm 的鋼筋。立面布置見圖7。

圖7 承軌臺(tái)開孔板連接件方案(單位:mm)

(2)剪力釘連接方案

采用19 mm×250 mm 的剪力釘,橫向間距100 mm,立面布置見圖8。

圖8 承軌臺(tái)剪力釘連接方案(單位:mm)

以上兩種形式均可以滿足受力要求,但開孔板剪力件方案需設(shè)置2 道抗剪鋼板,將承軌臺(tái)橫向分隔為3 部分,不利于后期承軌臺(tái)混凝土澆筑。因此,決定選用剪力釘連接方案。

考慮溫度荷載下梁端承軌臺(tái)需要承受較大剪力,相應(yīng)在梁端加強(qiáng)了剪力釘和混凝土梁預(yù)埋鋼筋的配置。

本橋中托梁頂結(jié)構(gòu)總高度為1.85 m,相較于常規(guī)梁上托梁結(jié)構(gòu)(3.2 m 高度)減少1.35 m,大幅改善了線路行車條件。

3.3 主墩及基礎(chǔ)

中墩墩頂設(shè)轉(zhuǎn)體施工轉(zhuǎn)盤,采用邊長(zhǎng)4.503 m 正六邊形結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)盤厚2 m,轉(zhuǎn)盤底由圓曲線漸變至邊長(zhǎng)2.136 m 的正六邊形結(jié)構(gòu),墩身曲線段高8 m,等截面段高14.5 m。中墩采用12 根φ1.5 m 摩擦樁,樁長(zhǎng)45 m。

4 施工方法

為減小對(duì)所跨越鐵路的運(yùn)營(yíng)影響,確保施工安全,混凝土托梁采用“懸拼預(yù)制+轉(zhuǎn)體”施工方法。

混凝土托梁采用掛籃懸臂節(jié)段現(xiàn)澆,全橋共分0～17 號(hào)節(jié)段,梁體全部對(duì)稱掛籃懸臂澆筑,不再設(shè)置兩端合龍段。轉(zhuǎn)體完成后,將梁端起頂至設(shè)計(jì)高程,安裝邊支座,再進(jìn)行封固球鉸,墩梁固結(jié),完成混凝土托梁施工。最后分段吊裝鋼軌道梁,澆筑承軌臺(tái),將鋼軌道梁與混凝土托梁結(jié)合為整體。為減小鋼軌道梁和混凝土托梁之間的收縮徐變,要求鋼軌道梁與混凝土托梁結(jié)合前,混凝土梁就位時(shí)間不少于90 d。

全橋主要施工步驟如下:施工基礎(chǔ)、承臺(tái)—施工橋墩—安裝球鉸—依次懸臂澆筑0～17 號(hào)節(jié)段,張拉對(duì)應(yīng)預(yù)應(yīng)力—稱重—試轉(zhuǎn)—正式轉(zhuǎn)體—邊墩頂梁,安裝支座—封固球鉸,墩梁固結(jié)—吊裝各段鋼軌道梁—鋼軌道梁焊接連成整體—調(diào)整線型,澆筑承軌臺(tái)。

5 技術(shù)創(chuàng)新

本橋型設(shè)計(jì)中,軌道梁不再采用傳統(tǒng)的梁上托梁的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu),而采用與托梁縱向全橋結(jié)合的方式,在其就位安裝后,作為組合結(jié)構(gòu)的一部分參與體系整體受力,采用拉壓性能更好的鋼結(jié)構(gòu)。

取消原簡(jiǎn)支軌道梁兩端下的1.4 m 高的“承臺(tái)+抗拉支座”設(shè)置,改為高度僅0.35 m 的通長(zhǎng)承軌臺(tái)結(jié)構(gòu),將鋼軌道梁與托梁結(jié)構(gòu)縱向通長(zhǎng)結(jié)合,降低整體結(jié)構(gòu)高度。因承軌臺(tái)結(jié)構(gòu)寬度有限,為避免其承受較大彎曲應(yīng)力,承軌臺(tái)縱向每相隔2.5 m 設(shè)置1 道斷縫,使承軌臺(tái)不參與整體結(jié)構(gòu)的抗彎受力,僅將鋼軌道梁和托梁二者結(jié)合,承擔(dān)二者之間的剪力。

本結(jié)構(gòu)的軌道梁與承軌臺(tái)重量約為常規(guī)梁上梁二期恒載重量的75%,可在設(shè)計(jì)中進(jìn)一步優(yōu)化托梁梁高,以降低線路高程。

6 結(jié)論

以蕪湖市軌道交通2 號(hào)線一期工程跨寧安城際2×70 m 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)組合橋工程為依托,對(duì)轉(zhuǎn)體法施工的大跨度跨座式單軌組合橋進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

提出一種新型跨座式單軌組合橋結(jié)構(gòu)形式,采用鋼軌道梁與混凝土托梁的組合結(jié)構(gòu),取消常規(guī)結(jié)構(gòu)兩者之前的支座墊石,替代為全固結(jié)承軌臺(tái)結(jié)構(gòu),使混凝土托梁與鋼軌道梁協(xié)同參與全橋受力,充分利用材料性能的同時(shí),有效降低軌道梁結(jié)構(gòu)高度,為解決大跨度單軌結(jié)構(gòu)線路高程受限提供了一種新思路。