轻轨高架桥连续梁墩顶纵向水平线刚度设计探讨

崔 宏

(沈阳铁道勘察设计院有限公司,沈阳 110013)

轻轨交通是一种中等运量的城市轨道交通客运系统,随着我国城市化进程的加速,轻轨交通成为各大中城市交通系统的主要发展目标。轻轨桥梁设计是一项相对较新的设计工作,结构要求及其作用与“国铁桥梁”、“道路桥梁”均有不同。目前轻轨桥梁主要执行《地铁设计规范》(GB50157—2003)及铁道部颁发的铁路相关设计规范。轻轨桥梁设计边界条件复杂、技术难点多,相比铁路干线桥梁有很大区别。在国内几条轨道交通高架结构的建设中,各地区根据自身的研究和经验,结合工程特点,有针对性的制定了相应的设计标准,对工程建设起到了积极作用。本文针对轻轨桥梁特点,结合大连、长春等地区的轻轨设计经验,对桥梁墩顶纵向水平线刚度的设计进行探讨,分析轻轨高架桥连续梁墩顶纵向水平线刚度最小限值的选取。

1 墩顶纵向水平线刚度研究概况

墩顶纵向水平线刚度是桥梁和无缝线路设计的关键技术参数,它是指桥梁下部的整体纵向线刚度,包括墩身的弹性变形、基础的转动、基础的水平位移、支座的变形。国内对铺设无缝线路墩顶纵向水平线刚度的研究大部分是针对简支梁桥的,其研究成果比较成熟。《地铁设计规范》对采用无缝线路的区间简支梁高架结构桥墩墩顶纵向水平线刚度限值有明确的条文规定(表1)[1～3]。

表1 桥墩墩顶纵向水平线刚度(双线)

近年来,连续梁由于其行车平顺性好、外形轻巧美观等特点在轻轨工程建设中得到越来越多的应用。然而,对于连续梁墩顶纵向水平线刚度最小限值的选取则没有规范进行明确规定。一些设计单位对连续梁的墩顶纵向刚度按以下两种情况处理:对联长小于列车编组长度的,制动墩刚度以联长为跨度,按跨度增大的比例增大刚度值;对联长大于列车编组长度的,按列车编组长度为跨度长,按跨度增大的比例增大刚度值。按上述原则控制连续梁墩顶纵向刚度,以 3-25 m连续梁为例,采用 4辆列车编组,其编组长度 78.08 m,以简支梁 40 m跨刚度限值换算结果为 750 kN/cm。按此结果设计,会存在以下问题:

(1)制动墩尺寸大,与非制动墩及联间墩形成鲜明反差,外观效果差;

(2)对于软土地基及墩高较高的轻轨桥梁是难以实现的,或者说为满足刚度要求而增加桩基数量、加大承台及墩柱尺寸等措施所增加的工程费用是巨大的,不经济的;

(3)其应用缺乏理论依据。

如何确定连续梁的墩顶刚度限值,还应与无缝线路轨道设计相结合,立足于桥梁和轨道结构组成的力学平衡体[4],更全面地分析问题,而不是片面、机械地套用规范。

桥上无缝线路设计,必须检算由于温度变化、列车制动、起动等产生的钢轨附加力。同时为了保证桥梁的受力安全,应检算相应墩台附加力[5～7]。在列车制动力作用下,桥梁墩台顶纵向制动附加力及分布除受轮轨粘着系数、线路阻力等参数影响外,主要由墩台顶纵向水平线刚度及相邻墩台顶刚度匹配所决定。根据国家“九五”科技攻关专题研究成果,制约桥梁下部结构纵向水平线刚度的主要因素是钢轨中的附加应力[8]。构成桥上钢轨附加应力的3项内容是:制动力、伸缩力(温度附加力)和挠曲力。这 3种附加力对桥墩纵向水平刚度影响情况如下。

(1)伸缩力作用下,钢轨的拉压力随桥墩刚度的增加而增加,当桥墩有足够的刚度(≥6000k N/cm)时钢轨力增加的幅度不大。因此,当着力于探讨小跨度桥墩是否可以采用较小刚度限值时,伸缩力作用对研究的影响是偏于安全的。

(2)挠曲力作用下,钢轨拉力受桥墩刚度的影响甚小,而钢轨压力亦随桥墩刚度的增加而增大。可见挠曲力作用对研究也是偏于安全的。

(3)制动力作用下,钢轨的拉力随桥墩刚度的降低而增大,因此要探讨桥墩刚度降低对于钢轨力的影响关键在于制动力作用下钢轨力的变化规律。

我国高速铁路线桥结构与技术条件的研究报告中也指出,列车制动时产生的钢轨附加应力随下部结构纵向水平线刚度的降低而增大,伸缩力、挠曲力产生的附加应力随下部结构刚度的降低而减少。但是,刚度对制动附加应力的影响比伸缩附加应力和挠曲附加应力的影响要大得多。如果将伸缩力和制动力叠加,那么叠加的结果将随着刚度的增加而减小[9]。因此,墩顶刚度越小,桥梁所受制动力越小,但钢轨制动附加应力越大;增大墩顶刚度可降低钢轨附加应力,但使得墩顶制动力增大,同时也会增大轨道断轨力甚至会使轨道断裂从而影响行车安全。另外,在制动力作用下梁轨之间必然产生相对位移,由此可见,影响墩顶纵向水平线刚度限值的因素就取决于两方面:一是桥上钢轨的附加应力;二是在制动力作用下梁轨相对位移的大小。在“八五”、“九五”国家重点科技攻关计划相关专题研究中,建议钢轨的最大附加应力限值为:81 MPa(拉)、61 MPa(压),列车制动力作用下梁轨间的相对位移应控制在 4 mm以下。值得提出的是,对于无砟轨道桥梁,由于制动力作用下的有砟轨道的“梁轨快速位移 4 mm”限值已不适用,现阶段桥梁采用非纵连型无砟轨道时,墩台顶纵向线刚度可偏安全的暂按有砟轨道限值取用。

2 连续梁“轨道 -梁 -墩 -基础”一体化计算模型的建立

桥上无缝线路是一个非常复杂的力学系统,钢轨、桥梁之间相互制约、相互协调,若考虑桥梁两端路基的作用,情况就更复杂,钢轨与桥梁组成了一个相互影响的整体。本文采用力学模型见图1,该模型为“轨道 -梁 -墩 -基础”一体化计算模型,该模型采用连接弹簧来模拟道砟层;不考虑活动支座对纵向附加力的影响;固定支座和桥墩之间通过弹簧连接;墩底使用弹簧来模拟基础刚度对桥上无缝线路纵向附加力的影响。采用大型通用有限元程序 ANSYS参数化设计语言进行二次开发,编制桥上无缝线路计算程序,对计算项目进行加载、计算,最后输出桥梁纵向位移、钢轨纵向位移、梁轨相对位移、钢轨附加力、墩台顶位移以及墩台顶附加力、钢轨断缝宽度等数据。

图1 “轨道 -梁 -墩 -基础”力学模型

模型所采用的单元类型,主梁、桥墩以及钢轨:采用 Beam54梁单元模拟,该单元能承受拉压与弯曲,每个节点上有 3个自由度,沿 x轴和 y轴的位移和绕 z轴的转动。该单元属于异型梁单元,允许具有不对称的断面结构,并且允许断面节点偏离截面形心位置,因而可适用于不同梁体的模拟。由于不考虑活动支座影响,故仅需建立制动墩固定支座即可。在模型中,桥梁的纵向位移计制动(启动)力是主动作用,通过梁轨间的纵向约束带动长轨条发生纵向位移,在长轨条中产生纵向附加力;同时梁轨间的纵向约束力又以相反的方向作用在桥梁上,并传递至固定支座上,带动墩台产生纵向位移,使桥梁上翼缘的纵向位移发生改变,可见轨道 -梁 -墩 -基础是一相互作用的耦合系统。通过求解该系统的平衡位置,即可得到钢轨中的纵向力、位移及桥梁纵向位移、墩台纵向力及位移。

3 计算与分析

本文计算的模型采用标准双线 3跨 25 m单箱单室预应力混凝土连续箱梁,桥上为整体道床,铺设无缝线路,钢轨采用 60 kg/m U75V,WJ-2型小阻力扣件,混凝土短轨枕。设计活载采用 B型车,4辆编组,荷载长度 78.08 m,轴重 140 k N。对于较长的轻轨区间桥梁,采用两端全设置后继结构的模型,取中间典型的 5联梁为研究对象,全部位于固定区,不设置钢轨伸缩调节器。每联取其中一个墩为制动墩,设置固定支座,其余桥墩为非制动墩和联间墩,设置活动支座。制动力按单线制动计算,挠曲力按双线加载计算,温度伸缩力按桥梁升降温 20℃考虑。桥梁制动墩下部整体水平线刚度按 20、50、100,150、350、600 kN/cm分别计算 。计算对梁轨相对位移及钢轨附加应力两方面进行分析,计算结果见表2。

表2 钢轨附加应力、制动工况梁轨快速相对位移计算结果

根据计算结果,对梁轨相对位移来说,在列车制动力作用下,梁轨相对位移最大值一般出现在制动力起始位置,按普通胶垫 1 mm为滑移界限[10],当墩顶水平线刚度大于350 kN/cm时,扣件不会出现滑移。扣件刚度的变化和墩顶纵向水平线刚度的变化对钢轨附加应力影响有限,计算结果均未超过钢轨检算强度的界限值。

4 结语

本文对影响轻轨连续梁墩顶纵向水平线刚度限值的因素进行了分析,虽然计算模型简化了边界条件,但至少可以得出以下结论。

(1)轻轨桥梁多为整体道床,一般采用小阻力扣件,而且活载比铁路中 -活载小得多,在制动力作用下,梁轨相对位移的限值应减小。

(2)连续梁墩顶纵向水平线刚度限值应根据梁轨相互作用原理综合考虑,不宜机械套用规范条文。由本文计算可知,仅从梁轨相对位移及钢轨附加应力考虑,本文计算模型制动墩墩顶纵向水平线刚度大于350 kN/cm即满足要求。

在实际的轻轨桥梁设计中,设计边界条件是复杂的,如地形、地质条件,路桥、桥隧过渡段刚度差值过大,无缝线路的轨道扣件类型等都会影响桥墩纵向水平线刚度的选取,有待于进一步详细研究。

[1] 铁道第四勘察设计院.桥梁墩台[M].北京:中国铁道出版社,1997.

[2] 铁道第三勘察设计院.桥涵地基和基础[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[3] 北京城建设计研究总院.GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

[4] 章建庆,王建清.《地铁设计规范》中高架结构若干技术问题的讨论[J].城市轨道交通研究,2004(5):12-14.

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[7] 铁建设函(2003)205号,新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定[S].

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[9] 延 波.城轨交通高架桥墩顶纵向刚度的设计探讨[J].都市快轨交通,2007(6):30-32.

[10] 蒋 鹏,马坤全.城市轨道交通桥梁桥墩纵向水平刚度研究[J].中国市政工程,2007(z2):48-51.