跨座式单轨连续刚构轨道梁截面形式比选研究

尹兴权 薛洪卫 赵 博 刘静杰

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

跨座式单轨交通是一种优良的中运量轨道交通制式,一般采用高架方式敷设[1]。目前,跨座式单轨轨道梁桥常用的结构体系有简支体系和连续刚构体系两种[2-3]。其中,简支体系受力明确,国外采用简支体系的国家有日本、韩国等,标准跨度为22～30 m;国内重庆单轨也采用简支体系,标准跨度为24 m。采用连续刚构体系可避免设置昂贵的铸钢拉力支座,代表性工程有美国拉斯维加斯单轨、巴西圣保罗单轨等[4]。以上两种体系中,梁结构均采用空心截面。

相较于简支体系,连续刚构桥墩可分担轨道梁跨中自重所产生的弯矩[5],减小自重对轨道梁结构的不利影响。另一方面,轨道梁采用空心截面,虽可减轻结构自重,节省混凝土方量,但轨道梁截面相对较小,加之内模和空腔护面钢筋的存在,施工时对混凝土浇筑、振捣提出较高要求[6]。

以芜湖市跨座式单轨交通3×30 m 连续刚构轨道梁桥为例,考虑相邻联的影响,建立轨道梁-桥墩-基础一体化的连续刚构轨道梁桥空间结构模型,研究其采用实心截面的技术可行性,并在此基础上对比两种截面形式对工程数量和造价。

1 连续刚构仿真模型

芜湖市跨座式单轨交通3×30 m 连续刚构轨道梁截面宽0.69 m,跨中截面高1.6 m,支点截面高2.2 m,墩高10 m,墩身横桥向长1.8 m,顺桥向边墩长0.8 m,中墩长1.2 m。中墩基础采用2 根φ1.25 m 摩擦桩,相邻两联边墩共用承台,基础采用2 根φ1.25 m 摩擦桩。结构示意见图1。

图1 3×30 m 连续刚构轨道梁-桥墩-基础示意

连续刚构轨道梁、桥墩、承台均采用空间梁单元模拟,轨道梁与桥墩之间为无自重单元连接,中墩桥墩与承台之间为刚接,两边墩分别与共用承台刚接。承台底用刚度矩阵模拟桩的支撑刚度[7]。考虑相邻联连续刚构影响,建立3 联3×30 m 连续刚构桥模型,两联连续刚构之间用顺桥向可自由变形的弹性连接模拟。空间有限元模型见图2。

图2 连续刚构轨道梁-桥墩-基础系统空间有限元模型

2 连续刚构轨道梁实心截面设计指标

2.1 设计原则

(1)轨道梁既是列车行驶轨道,同时又是列车荷载的承重结构,轨道梁的设计应满足这两种基本功能性要求[8]。

(2)轨道梁结构应具有足够的竖向、横向和抗扭刚度,并保证结构的整体性和稳定性[9]。

(3)轨道梁梁部按全预应力混凝土构件设计,按弹性阶段检算构件截面抗裂性、构件变形及各工况截面应力,按破坏阶段检算构件截面强度[10]。

(4)连续刚构盖梁按部分预应力混凝土构件设计,通过配置预应力改善局部应力,配置普通钢筋限制裂缝。墩柱按钢筋混凝土构件设计[11]。

(5)荷载组合时活载分别考虑停车和走行两种工况。

2.2 主要计算结果

经计算,轨道梁和桥墩各项设计指标均满足规范[12-13]相关要求,主要计算结果见表1、表2。

表1 轨道梁梁部主要设计指标

表2 桥墩主要设计指标

3 实心截面和空心截面设计指标对比

3.1 主要影响因素分析

一般认为,不均匀沉降、活载、整体降温对轨道梁和桥墩计算结果影响较大。围绕上述影响因素,对实心截面、空心截面轨道梁和桥墩的主要计算结果进行对比分析。为简化计算,工况1 代表轨道梁采用实心截面,工况2 代表轨道梁采用空心截面。

3.2 成桥阶段设计指标对比

在模型中考虑先简支后连续施工过程的影响,将工况1、工况2 成桥状态下的轨道梁预制段梁单元应力和竖向位移进行对比,计算结果见图3 和图4。

图3 成桥阶段轨道梁预制段梁单元应力

图4 成桥阶段轨道梁预制段梁竖向位移

成桥阶段,在自重、预应力和徐变等作用下,轨道梁截面形式对截面正应力的影响不大。中跨跨中位置处,实心截面底部混凝土压应力较空心截面减小7%。

由图4 可以看出,考虑先简支后连续施工过程后,工况1 和工况2 在支点处竖向位移差异相对较小,而在跨中处,由于轨道梁自重和截面惯性矩影响,轨道梁采用实心截面后,竖向位移分别减小75%(边跨)和78%(中跨)。

3.3 运营荷载作用下轨道梁设计指标对比

对连续刚构轨道梁采用实心截面和空心截面在运营荷载作用下的设计指标进行分析研究。参照芜湖地质条件及气象资料,其中不均匀沉降取1 cm,整体降温取22 ℃。计算结果见图5～图7。

图5 整体降温下轨道梁预制段截面内力和应力响应对比

图6 不均匀沉降下轨道梁预制段截面内力和应力响应对比

图7 活载下轨道梁预制段截面内力和应力响应对比

由图5～图7 可以看出,整体降温对支点处轨道梁截面内力影响相对较大,边支点处采用实心截面时,轨道梁截面内力增大6%;不均匀沉降作用下,采用实心截面后,梁部整体抗弯刚度增大,各位置处轨道梁截面内力均有所增大,中跨跨中位置轨道梁内力响应由111.9 kN·m 增大至123.1 kN·m,增幅约10%;活载作用下,采用实心截面和空心截面内力响应基本一致,跨中和中支点增幅均在1%以内。

采用实心截面后,截面抗弯刚度有所增大。整体降温作用下轨道梁截面最大拉应力减小3%(边跨)和10%(中跨);不均匀沉降作用下边跨轨道梁截面最大拉应力增大2%,中跨轨道梁截面最大拉应力减小3%;活载作用下轨道梁边跨和中跨截面最大拉应力均减小7%。

对连续刚构轨道梁截面内力和应力响应进行分析,运营荷载作用下,轨道梁采用实心截面后,截面内力有所增大,增幅为-7%(活载)～10%(不均匀沉降),但截面拉应力有所降低,降幅-3%(不均匀沉降)～24%(整体降温)。

3.4 桥墩设计指标对比

连续刚构支点处为墩梁固结结构,轨道梁截面形式的变化会对桥墩受力产生一定影响[14-15]。成桥阶段两种工况下桥墩截面内力对比见表3。运营荷载作用下连续刚构桥墩内力响应计算结果对比见图8。

表3 成桥阶段桥墩截面内力比较 kN·m

图8 运营荷载下连续刚构桥墩内力响应对比

由表3、图8 可知,成桥阶段采用实心截面和空心截面对边墩受力影响相对较小,中墩墩顶截面弯矩采用实心截面后增大17%。在不均匀沉降和整体降温作用下,桥墩各位置截面弯矩均有所增大。在活载作用下,跨中部分轨道梁采用实心截面后,抗弯刚度有所提高,相应分担荷载弯矩增多,桥墩墩顶分担荷载弯矩减小约5%。

4 实心截面和空心截面工程数量对比

对3×30 m、3×25 m、3×20 m 连续刚构轨道梁桥进行实心截面和空心截面的工程数量对比。同一结构采用不同截面形式时,其桥墩、基础配置相同。不同跨度轨道梁工程数量对比见表4。

表4 轨道梁工程数量对比

相较于空心截面,实心截面轨道梁省去了结构内模及空腔护面钢筋等,但混凝土数量有所增加。以标准跨度3×30m为例,一联梁混凝土数量增加19%,普通钢筋数量减少19%,钢绞线数量减少了2%,结构内模减少421.4 m2。经初步测算,每双线联轨道梁工程造价降低约1 万元。

5 结语

结合跨座式单轨连续刚构轨道梁桥的结构特点和受力特性,研究轨道梁采用实心截面的可行性,得到以下主要结论。

(1)连续刚构轨道梁采用实心截面技术可行,各项设计指标均满足相关规范要求。

(2)采用实心截面后,成桥阶段,轨道梁和桥墩受力并无明显变化,轨道梁跨中竖向位移减少约75%;运营阶段,轨道梁采用实心截面后,截面最大内力有所增大,截面最大拉应力有所减小。

(3)连续刚构体系轨道梁分别采用实心截面和空心截面时,桥墩、基础可采用相同配置。

(4)采用实心截面后,一联3×30 m 连续刚构轨道梁混凝土数量增加19%,普通钢筋数量减少19%。每双线联轨道梁工程造价降低约1 万元。