跨座式單軌連續(xù)剛構(gòu)軌道梁截面形式比選研究

尹興權(quán) 薛洪衛(wèi) 趙 博 劉靜杰

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

跨座式單軌交通是一種優(yōu)良的中運量軌道交通制式,一般采用高架方式敷設[1]。目前,跨座式單軌軌道梁橋常用的結(jié)構(gòu)體系有簡支體系和連續(xù)剛構(gòu)體系兩種[2-3]。其中,簡支體系受力明確,國外采用簡支體系的國家有日本、韓國等,標準跨度為22～30 m;國內(nèi)重慶單軌也采用簡支體系,標準跨度為24 m。采用連續(xù)剛構(gòu)體系可避免設置昂貴的鑄鋼拉力支座,代表性工程有美國拉斯維加斯單軌、巴西圣保羅單軌等[4]。以上兩種體系中,梁結(jié)構(gòu)均采用空心截面。

相較于簡支體系,連續(xù)剛構(gòu)橋墩可分擔軌道梁跨中自重所產(chǎn)生的彎矩[5],減小自重對軌道梁結(jié)構(gòu)的不利影響。另一方面,軌道梁采用空心截面,雖可減輕結(jié)構(gòu)自重,節(jié)省混凝土方量,但軌道梁截面相對較小,加之內(nèi)模和空腔護面鋼筋的存在,施工時對混凝土澆筑、振搗提出較高要求[6]。

以蕪湖市跨座式單軌交通3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋為例,考慮相鄰聯(lián)的影響,建立軌道梁-橋墩-基礎一體化的連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋空間結(jié)構(gòu)模型,研究其采用實心截面的技術(shù)可行性,并在此基礎上對比兩種截面形式對工程數(shù)量和造價。

1 連續(xù)剛構(gòu)仿真模型

蕪湖市跨座式單軌交通3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁截面寬0.69 m,跨中截面高1.6 m,支點截面高2.2 m,墩高10 m,墩身橫橋向長1.8 m,順橋向邊墩長0.8 m,中墩長1.2 m。中墩基礎采用2 根φ1.25 m 摩擦樁,相鄰兩聯(lián)邊墩共用承臺,基礎采用2 根φ1.25 m 摩擦樁。結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁-橋墩-基礎示意

連續(xù)剛構(gòu)軌道梁、橋墩、承臺均采用空間梁單元模擬,軌道梁與橋墩之間為無自重單元連接,中墩橋墩與承臺之間為剛接,兩邊墩分別與共用承臺剛接。承臺底用剛度矩陣模擬樁的支撐剛度[7]?？紤]相鄰聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)影響,建立3 聯(lián)3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)橋模型,兩聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)之間用順橋向可自由變形的彈性連接模擬。空間有限元模型見圖2。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁-橋墩-基礎系統(tǒng)空間有限元模型

2 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁實心截面設計指標

2.1 設計原則

(1)軌道梁既是列車行駛軌道,同時又是列車荷載的承重結(jié)構(gòu),軌道梁的設計應滿足這兩種基本功能性要求[8]。

(2)軌道梁結(jié)構(gòu)應具有足夠的豎向、橫向和抗扭剛度,并保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性[9]。

(3)軌道梁梁部按全預應力混凝土構(gòu)件設計,按彈性階段檢算構(gòu)件截面抗裂性、構(gòu)件變形及各工況截面應力,按破壞階段檢算構(gòu)件截面強度[10]。

(4)連續(xù)剛構(gòu)蓋梁按部分預應力混凝土構(gòu)件設計,通過配置預應力改善局部應力,配置普通鋼筋限制裂縫。墩柱按鋼筋混凝土構(gòu)件設計[11]。

(5)荷載組合時活載分別考慮停車和走行兩種工況。

2.2 主要計算結(jié)果

經(jīng)計算,軌道梁和橋墩各項設計指標均滿足規(guī)范[12-13]相關要求,主要計算結(jié)果見表1、表2。

表1 軌道梁梁部主要設計指標

表2 橋墩主要設計指標

3 實心截面和空心截面設計指標對比

3.1 主要影響因素分析

一般認為,不均勻沉降、活載、整體降溫對軌道梁和橋墩計算結(jié)果影響較大。圍繞上述影響因素,對實心截面、空心截面軌道梁和橋墩的主要計算結(jié)果進行對比分析。為簡化計算,工況1 代表軌道梁采用實心截面,工況2 代表軌道梁采用空心截面。

3.2 成橋階段設計指標對比

在模型中考慮先簡支后連續(xù)施工過程的影響,將工況1、工況2 成橋狀態(tài)下的軌道梁預制段梁單元應力和豎向位移進行對比,計算結(jié)果見圖3 和圖4。

圖3 成橋階段軌道梁預制段梁單元應力

圖4 成橋階段軌道梁預制段梁豎向位移

成橋階段,在自重、預應力和徐變等作用下,軌道梁截面形式對截面正應力的影響不大。中跨跨中位置處,實心截面底部混凝土壓應力較空心截面減小7%。

由圖4 可以看出,考慮先簡支后連續(xù)施工過程后,工況1 和工況2 在支點處豎向位移差異相對較小,而在跨中處,由于軌道梁自重和截面慣性矩影響,軌道梁采用實心截面后,豎向位移分別減小75%(邊跨)和78%(中跨)。

3.3 運營荷載作用下軌道梁設計指標對比

對連續(xù)剛構(gòu)軌道梁采用實心截面和空心截面在運營荷載作用下的設計指標進行分析研究。參照蕪湖地質(zhì)條件及氣象資料,其中不均勻沉降取1 cm,整體降溫取22 ℃。計算結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 整體降溫下軌道梁預制段截面內(nèi)力和應力響應對比

圖6 不均勻沉降下軌道梁預制段截面內(nèi)力和應力響應對比

圖7 活載下軌道梁預制段截面內(nèi)力和應力響應對比

由圖5～圖7 可以看出,整體降溫對支點處軌道梁截面內(nèi)力影響相對較大,邊支點處采用實心截面時,軌道梁截面內(nèi)力增大6%;不均勻沉降作用下,采用實心截面后,梁部整體抗彎剛度增大,各位置處軌道梁截面內(nèi)力均有所增大,中跨跨中位置軌道梁內(nèi)力響應由111.9 kN·m 增大至123.1 kN·m,增幅約10%;活載作用下,采用實心截面和空心截面內(nèi)力響應基本一致,跨中和中支點增幅均在1%以內(nèi)。

采用實心截面后,截面抗彎剛度有所增大。整體降溫作用下軌道梁截面最大拉應力減小3%(邊跨)和10%(中跨);不均勻沉降作用下邊跨軌道梁截面最大拉應力增大2%,中跨軌道梁截面最大拉應力減小3%;活載作用下軌道梁邊跨和中跨截面最大拉應力均減小7%。

對連續(xù)剛構(gòu)軌道梁截面內(nèi)力和應力響應進行分析,運營荷載作用下,軌道梁采用實心截面后,截面內(nèi)力有所增大,增幅為-7%(活載)～10%(不均勻沉降),但截面拉應力有所降低,降幅-3%(不均勻沉降)～24%(整體降溫)。

3.4 橋墩設計指標對比

連續(xù)剛構(gòu)支點處為墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu),軌道梁截面形式的變化會對橋墩受力產(chǎn)生一定影響[14-15]。成橋階段兩種工況下橋墩截面內(nèi)力對比見表3。運營荷載作用下連續(xù)剛構(gòu)橋墩內(nèi)力響應計算結(jié)果對比見圖8。

表3 成橋階段橋墩截面內(nèi)力比較 kN·m

圖8 運營荷載下連續(xù)剛構(gòu)橋墩內(nèi)力響應對比

由表3、圖8 可知,成橋階段采用實心截面和空心截面對邊墩受力影響相對較小,中墩墩頂截面彎矩采用實心截面后增大17%。在不均勻沉降和整體降溫作用下,橋墩各位置截面彎矩均有所增大。在活載作用下,跨中部分軌道梁采用實心截面后,抗彎剛度有所提高,相應分擔荷載彎矩增多,橋墩墩頂分擔荷載彎矩減小約5%。

4 實心截面和空心截面工程數(shù)量對比

對3×30 m、3×25 m、3×20 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋進行實心截面和空心截面的工程數(shù)量對比。同一結(jié)構(gòu)采用不同截面形式時,其橋墩、基礎配置相同。不同跨度軌道梁工程數(shù)量對比見表4。

表4 軌道梁工程數(shù)量對比

相較于空心截面,實心截面軌道梁省去了結(jié)構(gòu)內(nèi)模及空腔護面鋼筋等,但混凝土數(shù)量有所增加。以標準跨度3×30m為例,一聯(lián)梁混凝土數(shù)量增加19%,普通鋼筋數(shù)量減少19%,鋼絞線數(shù)量減少了2%,結(jié)構(gòu)內(nèi)模減少421.4 m2。經(jīng)初步測算,每雙線聯(lián)軌道梁工程造價降低約1 萬元。

5 結(jié)語

結(jié)合跨座式單軌連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋的結(jié)構(gòu)特點和受力特性,研究軌道梁采用實心截面的可行性,得到以下主要結(jié)論。

(1)連續(xù)剛構(gòu)軌道梁采用實心截面技術(shù)可行,各項設計指標均滿足相關規(guī)范要求。

(2)采用實心截面后,成橋階段,軌道梁和橋墩受力并無明顯變化,軌道梁跨中豎向位移減少約75%;運營階段,軌道梁采用實心截面后,截面最大內(nèi)力有所增大,截面最大拉應力有所減小。

(3)連續(xù)剛構(gòu)體系軌道梁分別采用實心截面和空心截面時,橋墩、基礎可采用相同配置。

(4)采用實心截面后,一聯(lián)3×30 m 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁混凝土數(shù)量增加19%,普通鋼筋數(shù)量減少19%。每雙線聯(lián)軌道梁工程造價降低約1 萬元。