跨座式单轨大跨度连续钢桁轨道梁研究

李先婷 高静青 刘永锋 郭子煜 赵 博

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

随着我国城市化进程的不断加快,轨道交通已成为各个城市解决城市交通拥堵问题的重要途径[1]。跨座式单轨作为一种新兴的轨道交通方式,具有运量适中、占地面积小、建设投资费用低、噪声及各种污染低、对城市空间影响小等优点,正越来越受到人们的关注[2]。

从目前国内外跨座式单轨大跨度桥型方案实例来看,跨度30～48 m 多采用简支钢混结合轨道梁,跨度48～65 m 多采用连续钢-混结合轨道梁,跨度大于65 m 时,一般采用梁上托梁的形式[3]。然而,梁上托梁整体结构建筑高度较高,在一些有高程要求的跨越点使用受限,景观效果较差;另外,轨道梁仅作为单轨车辆的行走轨道,不参与下方托梁的结构受力[4],导致工程造价相应增加。

为此,提出一种新型跨座式单轨结构,并基于芜湖市轨道交通2 号线一期工程跨越扁担河及芜宣高速公路工程实例开展研究,以期解决大跨单轨桥型结构跨度大于65 m 时的难点。

1 工程概况

芜湖市轨道交通2 号线一期采用庞巴迪制式跨座式单轨,桥位处线路以42°上跨扁担河及芜宣高速公路。芜宣高速公路现状宽度为25 m,双向四车道;但其已开展拓宽设计工作,拓宽后为双向八车道,宽度为42 m,拟采用(52+80+52) m 连续钢桁轨道梁(直线、线间距4.6 m)跨越。

2 主要技术标准

正线数目:双线;

车辆运营速度:80 km/h;

平面直曲线:直线;

线路纵坡:平坡;

列车类型:CMR2 型车,初近远期4/6/6 辆编组;

极端温度:极端最低气温为-13.1 ℃,极端最高气温为41 ℃;

设计基本风压:500 Pa;

地震动峰值加速度值:Ag≤0.1g。

3 结构设计

连续钢桁轨道梁采用(52+80+52) m 连续钢桁梁结构,计算跨度为(51.35+80+51.35) m,梁全长183.8 m。桁高5.7 m,桁宽4.6 m,节间长度为3.575 m、3.675 m 和3.250 m。连续钢桁轨道梁布置见图1～图3。

图1 主桥立面布置(单位:mm)

图2 中支点处横断面(单位:mm)

图3 一般横断面(单位:mm)

3.1 主桁

(1)主桁弦杆均采用箱形截面,板件间设隔板。上弦杆外高 1 880 mm,顶板与底板之间外高1 860 mm,腹板外宽550 mm,腹板外侧设置稳定轨和导向轨;下弦杆外高650 mm,外宽550 mm。

(2)斜腹杆采用H 形截面和箱型截面。H 形截面腹板上设置加劲肋,H 形截面外高550 mm,翼缘宽度为440 mm 和240 mm,翼缘厚14～28 mm,腹板厚12～20 mm,加劲肋宽100 mm,厚10 mm;箱型杆件翼缘尺寸为400 mm×16 mm,腹板尺寸为454 mm×16 mm。

(3)竖杆采用H 形截面,腹板上设置加劲肋。H形截面外高550 mm,翼缘宽240 mm,翼缘厚14 mm,腹板厚14 mm,加劲肋宽100 mm,厚10 mm。

(4)腹板外侧稳定面钢板,板厚16 mm,稳定轨支撑板厚12 mm。

(5)主桁上、下弦杆节点均采用整体节点形式。除上弦杆顶板为焊接外,其余均采用M24 高强度螺栓拼接。

(6)主桁以不超过4 个节间作为1 个节段,节段内采用全焊接,节段与节段之间采用M30 高强螺栓插入式拼接。

3.2 隔板

(2)上弦杆内隔板与顶板、底板及腹板采用焊接[6]。

(3)支座设于支点隔板下方,支承肋下缘熔透焊在下弦杆底板上[7]。

(4)每个节段两端的封闭隔板不设过人孔,其余隔板均设过人孔。

3.3 联结系

联结系包含上平联、下平联和横向联结系。

上、下平联斜杆为工形截面,截面高260 mm,上、下平联横撑和横向联结系杆件为工形截面,除支点处横撑截面外高630 mm 外,其余截面高260 mm。

3.4 防落梁措施

为保证梁部结构在地震力作用下的安全性能,本桥设置纵、横向防落梁措施[8]。防落梁措施通过在下平联端横撑底设置钢柱、在墩柱盖梁顶设置钢挡块实现;梁底钢柱扣于盖梁顶钢挡块上方,并在纵、横桥留有相应的活动量,以保证梁体常时正常伸缩[9];地震时,墩顶钢挡块外侧面作用于梁底钢柱内侧面,以实现对梁体的限位[10]。防落梁措施设置于下平联支点横撑中部下方,共设置4 处。

4 结构分析

采用通用有限元分析计算软件Midas Civil 对钢桁梁结构进行模拟[11]。计算模型见图4。

图4 有限元分析模型

4.1 杆件强度、疲劳应力

主桁杆件疲劳计算参考TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》第4.3 条,疲劳容许应力幅类别为XI,疲劳容许应力幅为71.9 MPa。经计算,满足规范要求[12]。

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杆件计算强度、杆件疲劳应力计算结果见表1。

表1 杆件强度、疲劳应力汇总 MPa

4.2 活载竖向挠度

根据GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》规定,在静活载作用下,梁体的竖向挠度容许值为L/1 000。计算结果见表2。

表2 活载竖向挠度汇总

4.3 梁体水平挠度

在“主力+附加力”作用下,梁体横向位移不应超过其跨度的1/1 000,计算结果见表3。

表3 梁体水平挠度汇总

4.4 横向倾覆稳定系数

横向倾覆稳定系数汇总见表4。

表4 横向倾覆稳定系数汇总

4.5 支反力

支座反力汇总见表5。

表5 支反力汇总 kN

5 车桥耦合分析

对全桥所有构件及桩基础均采用空间梁单元建模[13],模型见图5。

图5 全桥有限单元划分示意

根据前述桥梁计算模型,对其自振特性进行计算与分析,结果见表6～表9。

表6 桥梁自振特性计算结果

表7 桥梁振动位移最大值计算结果汇总

表8 列车动力响应最大值计算结果汇总

表9 车-桥系统动力响应评价结果汇总

综上所述,该连续钢桁轨道梁桥设计方案具有良好的动力特性及列车走行性[14],列车通过桥梁时的安全性和乘坐舒适性均满足要求。

6 施工方法

采用两侧不等跨墩底转体施工,转体长度为(63.49+51.9) m。施工流程:施工准备→施工桩基、承台、转体墩及其他永久墩,为避免转体就位冲突,大里程边墩暂时施工至设计高程以下不小于0.7 m→搭设临时拼装平台,同时在小里程侧沿线路方向,在拼接位置架设临时墩→在大里程的拼装平台上架设转体部分钢梁,先拼装E12～E16 节段,安装支座、墩顶临时固定措施,安装梁、墩间临时斜撑,再拼装完成其他节段,在小里程的临时墩上架设剩余部分钢梁→转体部分钢梁拼装完成后,进行配重[15],称重→拆除转体段拼装平台,称重,实测其重心位置和摩阻系数,必要时进行配重→正式转体前进行试转动→进行正式转体,合计将转体结构逆时针转体42°后就位→转体到位后,调整悬臂端水平位置至桥梁中轴线处,竖向高程至设计高程,临时紧固转体侧梁端,封固转盘,使梁体线形与设计线形一致→拼装合龙段钢梁,全桥合龙,拆除转体墩顶临时固结,拆除梁、墩斜撑,浇筑大里程边墩至设计高程→安装支座等附属装置,全桥施工完毕。

施工过程布置见图6,施工过程实景见图7,成桥实景见图8。

图6 施工过程布置(单位:mm)

图7 施工过程实景

图8 成桥实景

7 主要技术经济指标

主要技术经济指标见表10。

表10 主要技术经济指标

8 结论

(1)将连续钢桁梁应用于大跨度跨座式单轨结构,其上弦杆兼作跨座式单轨的走行轨道,可有效降低结构高度、节省钢材。

(2)为解决同时跨越既有高速公路、河流的难题,将转体施工技术应用于跨座式单轨交通建设领域,可大幅降低跨座式单轨建设对既有交通的影响。

(3)为跨越河流、高速铁路、高速公路的大跨度桥梁提供一套可靠的设计和施工方法,进一步扩大轻型跨座式单轨交通的使用范围。