广州地铁十四号线预制拼装全刚构桥梁理论分析

何建梅，郭敏，陈亮

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州510010）

1 引言

目前，轨道交通常用的简支梁体系、连续梁系统支座及伸缩缝数量非常多，增加了维护成本，支座更换将影响轨道交通的正常运营，通过研究预制拼装全刚构体系解决上述问题。地铁高架桥的抗震性能不仅关系到城市的交通秩序的健康稳定，而且更是人们生命安全的重要保障，需保证全刚构体系在罕遇地震作用下使得结构达到抗震性能I的要求，结构基本处于弹性工作状态，地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能【1】。为确保行车的舒适性及安全性，轨道交通全刚构体系在设计上应使结构横向自振频率尽可能避开列车蛇形运动频率【2】。通过风-车-桥耦合振动分析研究保证列车通过高架桥梁时的运营性能处于较优良状态。

2 预制拼装全刚构体系优化设计

广州市轨道交通十四号线长大区间大规模采用全刚构体系桥梁，全刚构体系采用4×40m大跨度结构，梁高2m，梁顶宽10m，梁底宽2.4m，相比传统的箱梁底宽更小，详见图1。40m的大跨度全刚构体系给城市地上、地下的交通走廊留出更大的发展空间。主梁采用预制节段拼装工法，边墩通过后浇横隔梁与主梁固接，中墩通过预留的后浇段与中墩固接。全刚构系统增加结构的跨度，使结构受力更合理，并且大大降低了伸缩缝的维护成本及免除支座的维护成本，经济性更优。

预制拼装连续刚构主要步骤包括：节段悬挂定位，胶拼及临时预应力张拉，简支束张拉，落梁至临时墩，架桥机过孔，湿接缝浇筑，连续钢束张拉，边墩顶后浇混凝土浇筑等环节。广州地铁十四号线长大区间高全刚构体系详见图2。

图1 广州轨道交通十四号线长大区间连续刚构横断面图

图2 广州地铁十四号线长大区间高全刚构体系

由于纵向预应力钢束的扩散距离要求，预应力在边墩顶横隔梁范围作用不大，需通过配置不同的钢筋，避免墩梁固接连接处开裂。全刚构体系桥梁边墩顶后浇横隔梁钢筋配置按不同的受力需求进行配置，顶、底板纵向钢筋抗弯及抗剪，横向钢筋抗剪，详见图3。

图3 边墩落梁工况下端节段钢筋构造图

通过BIM设计技术，发现常规设计的预制端节段纵横向水平钢筋与桥墩竖向钢筋、预埋在桥墩内的竖向排水管发生碰撞，存在无法落梁的施工风险。通过在梁场采用定位卡槽固定钢筋，用钢管精确定位模拟桥墩竖向钢筋及排水管，进行碰撞检查，配置U型钢筋等措施解决无法落梁的风险，详见图3。

3 全刚构体系自振特性分析

蛇行运动是行驶列车导致桥梁横向振动的最主要原因之一【3】。为确保行车的舒适性及安全性，轨道交通桥梁在设计上应使桥梁结构横向自振频率尽可能避开列车蛇形运动频率（约0.6～0.8Hz）【4】。

根据不同的墩高，对广州地铁十四号线预制节段拼装全刚构体系桥梁的自振特性进行了全面的研究分析。

研究跨度组合为4×40m、3×40m全刚构体系桥梁随着墩高变化引起的横向自振频率变化规律。

如图4所示，桥梁横向自振频率随着墩高增加而降低，且横向自振频率随着孔跨数的减少而减小。

4 全刚构体系抗震性能分析

广州地铁十四号线高架段抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，场区所属的设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.35s。

图4 不同墩高连续刚构自振频率

根据Midas civil中M-Φ曲线的结果，可利用弯矩-曲率曲线评价截面的性能，首先判断桥墩在顺桥向地震作用及横桥向地震作用下是否进入屈服状态，屈服状态以截面最外层钢筋首次屈服为准【5】。

表1 墩底屈服状态判别

表1为墩高14m的4×40m预制拼装全刚构体系桥梁的计算结果。由结果可知，全刚构体系桥梁墩顶及墩底截面在罕遇地震作用下未进入屈服状态，在罕遇地震作用下桥梁结构达到抗震性能I的要求。

5 全刚构体系运营性能分析

选取墩高为14m、18m及20m的4×40m预制节段拼装全刚构体系全桥分析模型，进行风—车—桥系统空间耦合振动动力响应仿真计算与分析研究，计算模型设计车速为120km/h，检算为140km/h。分析计算模型采用动力学势能驻值原理及形成矩阵的“对号入座”法则。

采用全桥分析模型分别计算了系统在无风、风速为15m/s，20m/s和25m/s情况下的桥梁的竖向与横向位移、车辆竖向与横向加速度、轮对脱轨系数、轮重减载率等。轨道不平顺函数采用了美国六级谱不平顺标准。直线电机车辆对轨道冲击作用产生振动，通过结构（桥梁墩台、轨道、轨道梁）传递，诱发二次振动。

5.1 风-车-桥系统动力特性计算分析

计算墩高14m、18m及20m的4×40m预制节段拼装全刚构体系在无风状态下和各风速下的桥梁响应最大值，其中，墩顶横向位移值均为相对于初始平衡位置而言（见图5）。

图5 不同墩高墩顶横向位移

如图5所示，桥墩墩顶最大横向位移呈现出随车速增加而增大的趋势。有风工况下的桥梁响应均大于无风工况，桥梁的动力响应均在容许值以内。

5.2 车辆动力响应

表2给出了14m、20m墩高4×40m刚构在无风状态下和各风速下的动车车辆响应最大值。

表2 动车动力响应最大值

根据广州地铁实际运营情况，可以采用20m/s风速作为风-车-桥耦合振动分析计箅风速。由表2可得，脱轨系数、轮重减载率及列车行车舒适性指标随着风速增大而增加。

当风速为20m/s，B型车以120km/h通过该全刚构体系时，桥梁的动力响应均在容许值以内，脱轨系数＜0.8；轮重减载率＜0.6，列车行车安全性满足要求；舒适性指标为2.50～2.75，列车行车舒适性满足“良好”要求。

当桥面平均风速达到25m/s时，B型车分别以120km/h通过全刚构体系时，桥梁的安全性指标均在容许值以内，但列车行车舒适性不满足要求，应限速通行。

6 结语

对广州地铁十四号线全刚构体系关键技术进行研究，分析边墩后浇带钢筋设置原则、全刚构体系桥梁横向自振频率、罕遇地震下桥墩的屈服状态、全刚构体系的运营性能，得出以下结论：

1）通过研究分析，制定预制拼装全刚构体系边墩顶后浇段钢筋配置原则：顶板纵向、底板纵向水平钢筋主要用于承担梁端弯矩，并承担顶底板接触面传递的剪力。

2）对于不同墩高，连续刚构横向自振频率随着单孔跨径增加而降低。预制拼装全刚构体系桥梁横向自振频率已避开列车蛇形运动频率。

3）广州地铁十四号线预制拼装全刚构体系桥梁在罕遇地震作用下，桥墩混凝土只开裂并未进入屈服状态。

4）列车在有风条件下通过桥梁时，当桥面平均风速等于或低于20m/s时故可畅通运行；当桥面平均风速达到25m/s时，可限速通行；当桥面平均风速达到30m/s，禁止通行。