跨座式单轨连续刚构PC 轨道梁关键设计参数研究

薛洪卫 刘永锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

目前,跨座式轨道交通正在国内二、三线城市深入推进,多采用高架敷设形式[1-4]。该制式桥梁简支体系存在伸缩缝多、行车舒适度一般、支座造价高、后续运营养护费用高等缺点。而连续刚构体系既有伸缩缝少、行车平顺的优点,又具有T 形刚构不设支座、无需体系转换的优点,还有较好的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度,是跨座式轨道交通的发展趋势[5-7]。

结合芜湖轨道交通1 号线、2 号线连续刚构PC轨道梁设计,对连续刚构PC 轨道梁关键设计参数进行研究,以期为跨座式轨道交通的推广提供技术支持。

1 工程概况

芜湖轨道交通1 号线、2 号线一期为十字交叉的两条线,其中1 号线为南北向,线路全长30.46 km,全线高架敷设;2 号线一期为东西向,线路全长15.787 km,其中地下线长1.409 km,地面及高架线14.378 km。高架线区间标准结构采用连续刚构PC轨道梁结构。

芜湖跨座式轨道交通1、2 号线主要技术标准如下。

(1)系统制式:跨座式单轨,采用CMRⅡ型车。

(2)线路标准:双线,标准线间距4.6 m,设计最高速度80 km/h。

(3)设计荷载:CMRⅡ型荷载,超员时活载轴重140 kN,定员时活载轴重123 kN,车辆活载图式见图1[8]。

图1 CMRⅡ车型活载图式(单位:mm)

(4)地震效应:地震动峰值加速度值0.075g,地震动反应谱特征周期0.40 s。

(5)主体结构设计使用年限:100 年。

2 连续刚构桥总体设计概述

桥梁结构标准结构为3×30 m 预应力混凝土连续刚构桥,先简支后连续,梁部结构简支部分为梁厂预制节段,中、边墩墩顶段为现浇段。常用墩高为9.5～15 m,中墩顶设置120 cm 后浇段,边墩顶设置80 cm 后浇段。考虑到制造、安装误差及温差下梁体的伸缩,每联梁梁端距梁缝中心取25 mm。

纵向预应力筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003 预应力钢绞线,预应力钢绞线强度为1 860 MPa,弹性模量Ep=1.95×105MPa,Ⅱ级松弛。

连续刚构总体布置及断面见图2、图3。

图2 3×30 m 连续刚构PC 轨道梁总体布置

图3 3×30 m 连续刚构PC 轨道梁立面及横断面布置(单位:mm)

3 关键设计参数分析研究

主要研究连续刚构PC 轨道梁的曲线半径、墩梁刚度合理分配、基础刚度、基础沉降、合龙温度及温差等关键参数对结构的影响[9-11],以优化参数取值。

3.1 曲线半径研究

PC 轨道梁为空间受力结构,相较于常规的轨道交通,单轨轨道梁承受的横向荷载较大;此外,轨道梁还要承受较大的扭转荷载作用,尤其是曲线梁,通过将梁体斜置来设置曲线超高,使得轨道梁横截面倾斜。自重、二期恒载和活载在横截面上产生双力矩,活载在截面内产生扭矩。轨道梁受到双向弯矩和扭矩的共同作用,其应力状态和变形分析较为复杂。以下对3×30 m直线梁和3×30 m(R=1 000 m)曲线梁展开分析。

通过Midas 建模计算分析,直线及曲线结构对应不同的内力见表1。

表1 不同曲线半径连续刚构PC 轨道梁内力计算结果比较

由表1 可知,从恒载、活载、主力和“主+附”等不同工况进行对比分析,曲线半径对连续刚构轨道梁的影响主要是扭矩的影响,而弯矩的影响较小。曲线半径越小,恒载、活载等效应产生的扭矩越大,而弯矩变化幅度较小,可以按直线考虑。在设计时,应充分考虑扭矩对内力的放大效应,保证结构安全。

3.2 墩梁合理刚度分析

连续刚构PC 轨道梁作为刚构体系,墩身刚度对结构的受力影响较大,为满足上部结构在温度、混凝土收缩徐变、地震荷载等作用下的纵向水平变形,墩身设计为纵向刚度较小的柔性墩来满足其位移要求,同时需保证纵向抗弯刚度、偏载和横向力作用下的抗扭刚度。将墩身纵向尺寸作为敏感参数对3×30 m(直线)展开分析,通过调整刚构墩身尺寸,对比分析不同墩身刚度下结构的受力及各项指标的变化,探讨墩梁合理刚度的确定。

通过Midas 建模计算分析,不同墩身尺寸、不同墩高对应不同的内力见表2。

表2 不同墩身尺寸连续刚构PC 轨道梁内力比较

随着墩身尺寸的增加,主梁在恒载及温度、沉降等附加力作用下,内力值逐渐减小,跨中梁底弯矩由1 140 kN·m 减小为1 017 kN·m,减小约10%,并无显著变化;而桥墩墩底弯矩显著增大,边墩墩底弯矩由1 501 kN·m 增大为2 871 kN·m,增幅约90%,对结构受力较为不利。墩身刚度会通过温度和支座沉降等影响刚构所受附加内力的变化,带来结构应力和安全系数的变化。需经过反复计算,以确定合理的墩梁刚度比,使得结构能够在满足变形要求的前提下,不至于增加较多的墩、梁部配筋。

3.3 基础不均匀沉降影响分析

连续刚构是一种外部超静定结构,基础不均匀沉降将引起结构附加内力。相较于简支梁,连续梁结构对基础要求较高。选取5 mm、10 mm、15 mm 三种沉降值,通过Midas 建模计算分析,对比不同沉降值对应内力变化(见表3)。

表3 不同支点不均匀沉降内力比较

随着不均匀沉降值的增加,主梁及墩身弯矩均相应增加。10 mm 不均匀沉降引起的主梁内力变化值约占主力状态下内力(2 200 kN·m)的33%,可见影响巨大。因此,应严格控制基础不均匀沉降值,控制支点沉降不超过10 mm。

3.4 温度影响分析

桥梁结构因自然环境变化引起的温度差效应主要可以归纳为日照、降温和年温度变化3 个原因。日照温差和寒流温差属于局部温度场效应,年温差效应指常年缓慢变化、均匀的、整体的长期温差场效应。采用有限元计算的方法,根据合龙时温差的大小及地区气象资料,采用升温30 ℃和降温30 ℃设计,并选取升降20 ℃和升降40 ℃进行对照分析,以说明温度对结构的影响,不同沉温度荷载对应不同内力见表4。

表4 不同温差下结构内力比较

随着整体升降温温差逐渐加大,结构内力呈线性增长。整体升降温30 ℃引起的主梁内力变化值最大约为主加附作用下内力的20%,有较大影响。所以应选取合适的合龙温度,尽量减小整体升降温温差,从而减小结构受温度附加力作用,以减小结构配筋。

4 参数优化后结构方案及静力计算

经过上述关键设计参数比选,对于连续刚构PC轨道梁,总体及结构设计关键参数确定如下。

(1)以3×30 m 为标准跨度。

(2)墩高选用9.5～15 m。

(3)选用曲线,R=1 000 m。

(4)上部结构梁宽0.69 m,实心矩形截面,跨中梁高1.6 m,支点处梁高2.2 m。

(5)下部墩横向宽度1.8 m,顺桥向中墩1.2 m,边墩0.8 m。

(6)相邻两支点不均匀沉降Δ=10 mm。

(7)整体升温按照23.3 ℃考虑,整体降温按-22 ℃考虑,局部温度按照顶板升降3 ℃考虑。

针对3×30 m 变高连续刚构PC 轨道梁进行全桥静力检算,检算结果见表5。

表5 3×30m连续PC 轨道梁(R=1000m)静力计算结果

由表5 可知,结构各项力学指标均满足规范要求[12-15]。

5 工程经济性比选

通过上述计算分析,3×30 m 连续刚构结构受力合理、施工步骤简单、墩高适应范围广。选取3×30 m 连续刚构PC 轨道梁与3 孔30 m 简支轨道梁在保证梁顶至承台顶为12 m(即:连续刚构梁底到承台顶10 m,简支体系梁高较刚构体系墩顶处低0.5 m,对应梁底到承台顶为10.5 m)的前提下开展综合经济比较(见表6)。

表6 3×30m连续刚构与简支PC梁经济比选 元

由表6 可知,简支体系等长度综合造价指标较连续刚构轨道梁桥高18.7%,梁部分项指标比连续刚构体系高41.6%,原因在于:连续刚构支点梁高较高,后浇段现浇施工复杂引起梁部指标高于简支体系,但刚构体系可节省支座,支座占造价比重较大使得其造价低于简支体系。下部分项指标较连续梁刚构体系低12.1%,主要原因:连续刚构的墩身配筋较多,且盖梁内含预应力筋,故其经济指标高于PC 简支梁体系。综合比较,连续刚构体系经济优势较为明显。

6 结论

结合芜湖轨道交通1 号线、2 号线,对跨座式连续刚构PC 轨道梁关键设计参数进行研究分析,通过对曲线半径、墩身尺寸及高度、基础不均匀沉降值、温度应力等的研究,较为全面地确定影响连续刚构PC 轨道梁桥的关键设计参数;并结合芜湖单轨的气候条件、墩高设置、地质状况等进行结构参数取值。通过结构整体受力计算及经济性比选,连续刚构PC 轨道梁综合造价指标较简支梁减少约15%。