简支钢-混结合梁在跨座式单轨交通中的设计应用与创新

杨永明

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

从经济、合理角度考虑,跨座式单轨轨道梁一般以20 m 或22 m 的跨径作为标准桥跨,最大跨度可达25 m[1-2]。但在一些路口、特殊障碍物等位置经常需要布设更大跨径的桥跨结构。简支钢-混结合梁具有承载能力大、自重相对轻、材料受力合理等优点,且具有较大的跨越能力,该结构形式应用于跨座式单轨交通系统中,能够有效改善以往钢轨道梁方案用钢量大、振动噪声高、车轮与梁体之间容易打滑等问题[3-4]。已有部分学者对钢-混结合轨道梁结构进行相关研究,寇培培对钢-混结合轨道梁在跨座式单轨交通中的适用范围进行研究[5];刘一平等认为在跨越路口处适合采用25～40 m 钢-混结合轨道梁[6];王超冉等对钢-混结合轨道梁的车桥耦合动力特性进行分析[7]。然而,以往研究中少有对梁型方案和细节设计创新方面的具体研究,以下基于芜湖市轨道交通工程,对钢-混结合轨道梁的技术创新和应用情况进行深入研究。

2 结构简介与设计应用

2.1 常规结构形式梁型方案

常规结构形式简支钢-混结合梁总体结构布置形式为:每线设置1 榀轨道梁,两线轨道梁之间采用横梁和下平联连接,形成整体“U”形结构,线间距范围一般为4.2～5.3 m[8]。常规结构形式简支钢-混结合轨道梁1/2 平面、断面示意分别见图1、图2。

图1 常规结构形式1/2 平面布置

图2 常规结构形式断面

(1)主梁

主梁采用钢-混组合结构,上部导向面范围为混凝土结构,下部钢结构采用大高宽比钢箱梁,混凝土与钢结构之间采用剪力钉连接[9]。

稳定面结构由面板、水平支承板和竖向支承板组成,布置于腹板外侧面相应位置处。稳定面面板、稳定面水平支承板与主梁腹板所形成密闭空间极为狭小,为提高结构的耐久性,各主梁节段两侧端部竖向支承板做密封处理,以保证密闭空间范围实现气密防腐[10]。

直线梁主梁铅直布置,与横梁轴线垂直;曲线梁设置超高[11],主梁倾斜并与横梁轴线形成一定的斜交角度。

一般情况下,主梁沿顺桥向分为3 个节段,节段间采用顶板焊接、腹板和底板栓接的混合连接方式。

(2)隔板

为保证箱梁抵抗畸变、翘曲的能力及结构的横向传力,主梁箱内需设置隔板。隔板共计5 种类型,分别为一般位置隔板、平联接头位置隔板、横梁位置隔板、节段端部封闭隔板及支点隔板。每个梁段两端的隔板采用封闭隔板,使梁段中部实现气密防腐。

(3)横梁

主梁每间隔4 个隔板间距在两线梁间设置横梁。横梁分为支点横梁和普通横梁两种,横梁采用工字形截面,曲线梁横梁宜采用等高度截面。

横梁在工厂单独制造,运至工地后再与主梁连成整体。横梁顶板、腹板、底板与主梁均采用M24 高强度螺栓连接。

(4)下平联

为增强梁体的抗弯和抗扭刚度,在两线主梁之间下部设置下平联,下平联杆件可采用焊接T 形截面或焊接工字形截面。一般情况下,其平面布置形式见图1。

(5)混凝土桥面

混凝土桥面宽度采用相应单轨制式的标准梁宽,混凝土厚度结合导向面轨迹线范围及计算确定。混凝土顶面两侧各设置20 mm×20 mm 的倒角,按GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》规定,桥面混凝土强度等级不宜低于C40,设计中一般采用C50。桥面钢筋整体绑扎,顶面、侧面保护层的确定应考虑车轮磨耗的影响。桥面混凝土一般断面布置见图3。

图3 桥面混凝土一般断面布置

(6)支座

简支钢-混结合轨道梁两线主梁通过下平联和横梁连接形成整体,支座采用球形钢支座[12],每孔梁设置固定支座、横向活动支座、纵向活动支座、多向活动支座各1 套。常规结构形式简支钢-混结合轨道梁支座布置见图4。

图4 常规结构形式支座布置

(7)指形板安装预留槽口

相邻轨道梁间的梁缝连接处设置指形板,走行面及导向面位置指形板预埋件预埋于桥面混凝土内,稳定面位置指形板与主梁腹板栓接,主梁腹板梁端预留螺栓孔。同时,在稳定面安装位上方预留安装槽口,便于指形板安装。预留槽口布置示意见图5。

图5 指形板安装预留槽口示意(单位:mm)

(8)应用情况

常规结构形式简支钢-混结合轨道梁已在安阳旅游示范线、蚌埠单轨产业园试验线、桂林旅游专线试验线、芜湖轨道交通1 号线和2 号线一期等项目设计中大量采用,且均已完成结合梁的架设安装施工。

2.2 正交异性板整体式下平联梁型方案

芜湖市轨道交通1 号线采用25 m 简支钢-混结合轨道梁跨越淮南线铁路,采用正交异性板[13]整体式下平联梁型方案,可增强结构的整体性和密闭性,具备整体起吊安装条件,降低对铁路线路的影响。

(1)整体式下平联

整体式下平联由悬臂横梁、中间横梁、外侧整体上翼板和中间整体上翼板组成。主梁每间隔两个隔板间距在两主梁间设置中间横梁、在主梁外侧设置悬臂横梁。横梁采用倒T 形截面,中间横梁为等高度截面,悬臂横梁为变高度截面。

梁体在横桥向上分为3 个制造段,悬臂横梁、外侧整体上翼板与主梁共同制造,中间横梁及中间整体上翼板单独制造,运至工地后再与主梁部分连接成整体。整体上翼板沿桥梁纵向设置板式加劲肋。正交异性板整体式下平联梁型方案1/2 平面、断面示意分别见图6、图7。

图7 整体式下平联梁型方案断面

(2)桥面混凝土施工

由于钢结构部分为整体吊装,吊重较大,故采用在梁跨吊装就位后于桥面上浇筑桥面混凝土的施工方案。

(3)桥面排水设计

本梁跨越淮南线铁路,桥面需采用集中排水形式。在桥面四周边缘设置150 mm 高挡水钢板,避免雨水从桥梁边缘泄出,同时在两侧梁端桥面边缘位置设置排水孔,通过桥梁纵坡及竖曲线实现梁端桥面排水。

2.3 大位移伸缩装置处梁型方案

当跨座式单轨交通与公路或铁路在大跨径工点分层共建时,单轨交通通常采用“双层复合”结构形式[14],即单轨轨道梁布置在大跨长联的托梁之上。由于托梁为长联结构,在两联托梁的交界处需要布置大位移量伸缩装置[15],为协调变形,在对应位置的单轨线路中也需要布设具有相应伸缩变形能力的轨道梁专用的伸缩装置,而在专用伸缩装置两侧需要布设不同于常规结构形式的结合轨道梁梁型。如汕头市轨道交通6 号线公轨共建段预留工程中,就布设多孔该梁型的轨道梁结构。

(1)主梁

该梁型方案在总体布置上仍与常规结构形式梁跨一致,但受伸缩装置的影响,主梁改由钢-混结合梁段和钢梁段组合而成,钢-混结合梁段在远离伸缩装置一侧,钢梁段在靠近伸缩装置一侧。钢梁段顶板中部下方设板式纵向加劲肋,以加强钢梁段顶板走行面的局部刚度。伸缩装置处梁型方案立面布置见图8。

图8 伸缩装置处梁型方案立面布置

(2)细节构造

为确保钢-混结合梁段与钢梁段的可靠连接,过渡范围设置PBL 剪力键[16]及上水平板构造。在过渡范围加劲肋板上开φ40 mm 圆孔,圆孔内穿φ16 mm 钢筋;上水平板下缘焊接剪力钉,上水平板与交界面立板焊连,避免钢、混交界面直接受力出现裂缝。上水平板在顶面及两侧面与混凝土的接触位置预留20 mm×20 mm 槽口,混凝土浇筑完成后,采用柔性防水材料填实、填满。过渡范围构造立面见图9。

图9 过渡范围构造立面

钢梁段在梁端设置上、下安装手孔,用于伸缩装置的螺栓安装与更换,伸缩装置通过端立板与结合梁主梁连接。钢梁段主梁断面示意、伸缩装置与钢梁段连接见图10、图11。

图10 钢梁段主梁断面

图11 伸缩装置与钢梁段连接

2.4 倒T 形截面单线梁梁型方案

众所周知,单榀简支钢-混结合轨道梁横向刚度小于与其跨径相同的PC 轨道梁,而实际工程中,布设的简支钢-混结合梁的跨度一般又较PC 轨道梁大,故需在简支钢-混结合轨道梁下部设置横梁,以增加横向刚度。同时,单榀轨道梁布置需要采用能承受扭矩的拉压支座[17],而结合梁由于其跨度更大,导致对拉压支座的受力要求就更高,其设计难度也越大。

若线路本身为单线,或两线线间距较大的情况下,为解决上述问题,可布设多孔倒T 形截面的单线简支钢-混结合轨道梁[18-19]。在芜湖市轨道交通1 号线、2 号线一期项目及合肥试验线项目中已有相关应用。

(1)主梁

主梁采用倒T 形截面,主梁底板加宽,在主梁钢箱两侧设置敞口的钢槽结构,不设置上盖板。

(2)压重混凝土

为防止梁跨结构、特别是曲线梁梁跨结构支座出现负反力,采用C30 混凝土对两侧钢槽全范围内进行压重。钢槽范围内底板按构造要求布置剪力钉,并在压重混凝土中布置上、下层钢筋网片,上层钢筋网纵向贯通,下层钢筋网受侧隔板影响,纵向钢筋断开。为加强侧隔板与压重混凝土的连接,在侧隔板预留圆孔中增设短钢筋,每孔布置1 根。倒T 形截面单线梁断面见图12。

图12 倒T 形截面单线梁断面

压重混凝土表面设置1%的横向排水坡,以利排水。为防止压重混凝土出现横向裂缝,沿梁跨纵向每隔2 m,在压重混凝土表面施作1 条宽约10 mm、深1～2 cm 的断缝,用柔性防水材料填实,并注意避免对混凝土外表面造成污染。

(3)支座

倒T 形截面单线简支钢-混结合梁支座布置于侧腹板和支点侧隔板下方,每个梁端布置2 套支座,每榀梁共计布置4 套支座,支座采用球形钢支座,其支座布置方式同双线常规结构形式。

支座上板与结合梁底板的连接采用箱外螺栓、箱内套筒的连接方式,箱内套筒需在钢梁制造厂预先安装在钢梁底板上。支座安装位示意见图13。

图13 倒T 形截面单线梁支座安装位

3 技术创新

3.1 气密防腐技术

主梁箱体内部和稳定面构造内部密闭空间均采用气密防腐技术,取消了主梁箱体的内表面涂装,优化钢梁涂装工序,避免内部涂装施工给施工操作人员带来的安全风险。

3.2 球形钢支座

简支钢-混结合轨道梁各梁型方案均采用球形钢支座,满足结果受力需要的同时,能够取消传统的拉压支座及长锚栓预埋,减少对桥墩结构的影响。同时,所采用的球形钢支座具备高度及两个水平方向的调整功能,便于对梁体线形进行调整。

3.3 预留指形板手孔

梁端指形板在轨道梁就位后安装,通过在稳定面指形板安装位上部设置安装预留孔的方式,可解决指形板后期安装空间的问题。

3.4 曲线梁等高度横梁设计

轨道梁制造线形复杂,曲线钢-混结合轨道梁受超高影响,主梁腹板与横梁轴线非垂直关系,采用等高度横梁设计利于钢结构的加工制造,利于从源头避免制造误差累计、甚至制造错误的发生。

3.5 正交异性板整体式下平联梁型方案

设计正交异性板整体式下平联梁型方案,改善桥梁结构整体性,利于整体起吊安装,减少现场施工操作时间,降低对跨越物的影响,适合跨越铁路、公路的工点桥梁采用。

3.6 钢梁与钢-混结合梁组合的梁型方案

采用了钢梁与钢-混结合梁组合的梁型方案,该方案是在常规结构形式的基础上,在负弯矩区设置钢梁段,解决了桥面混凝土存在受拉工况的问题,通过过渡段特殊构造细节设计,实现钢梁段和钢-混结合段的顺接,适用于双层复合结构、大位移伸缩装置两侧的单轨梁跨采用。

3.7 倒T 形截面单线梁梁型方案

采用倒T 形截面单线简支钢-混结合轨道梁梁型方案,解决了单线梁横向刚度弱的问题,钢槽内压重混凝土的灌注改善了梁体的横向稳定性,采用开口钢槽,取消了上盖板,便于压重混凝土的灌注,同时可节省用钢量0.24 t/m。

每个梁端布设2 个球形支座,避免布设拉压支座,降低了对桥墩结构的影响。

4 结语

随着我国跨座式单轨交通事业的快速发展,简支钢-混结合梁在跨座式单轨交通中应用范围和环境势必越来越广泛。通过对气密防腐技术、球形钢支座应用、整体式下平联梁型、钢梁与钢-混结合梁组合梁型、倒T 形截面单线梁梁型等技术创新,有利于简支钢-混结合轨道梁结构设计的优化和梁型方案的改进,可为类似工程的设计和应用提供借鉴。