輕軌高架橋連續(xù)梁墩頂縱向水平線剛度設(shè)計探討

崔 宏

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司,沈陽 110013)

輕軌交通是一種中等運量的城市軌道交通客運系統(tǒng),隨著我國城市化進程的加速,輕軌交通成為各大中城市交通系統(tǒng)的主要發(fā)展目標。輕軌橋梁設(shè)計是一項相對較新的設(shè)計工作,結(jié)構(gòu)要求及其作用與“國鐵橋梁”、“道路橋梁”均有不同。目前輕軌橋梁主要執(zhí)行《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2003)及鐵道部頒發(fā)的鐵路相關(guān)設(shè)計規(guī)范。輕軌橋梁設(shè)計邊界條件復(fù)雜、技術(shù)難點多,相比鐵路干線橋梁有很大區(qū)別。在國內(nèi)幾條軌道交通高架結(jié)構(gòu)的建設(shè)中,各地區(qū)根據(jù)自身的研究和經(jīng)驗,結(jié)合工程特點,有針對性的制定了相應(yīng)的設(shè)計標準,對工程建設(shè)起到了積極作用。本文針對輕軌橋梁特點,結(jié)合大連、長春等地區(qū)的輕軌設(shè)計經(jīng)驗,對橋梁墩頂縱向水平線剛度的設(shè)計進行探討,分析輕軌高架橋連續(xù)梁墩頂縱向水平線剛度最小限值的選取。

1 墩頂縱向水平線剛度研究概況

墩頂縱向水平線剛度是橋梁和無縫線路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),它是指橋梁下部的整體縱向線剛度,包括墩身的彈性變形、基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動、基礎(chǔ)的水平位移、支座的變形。國內(nèi)對鋪設(shè)無縫線路墩頂縱向水平線剛度的研究大部分是針對簡支梁橋的,其研究成果比較成熟?！兜罔F設(shè)計規(guī)范》對采用無縫線路的區(qū)間簡支梁高架結(jié)構(gòu)橋墩墩頂縱向水平線剛度限值有明確的條文規(guī)定(表1)[1～3]。

表1 橋墩墩頂縱向水平線剛度(雙線)

近年來,連續(xù)梁由于其行車平順性好、外形輕巧美觀等特點在輕軌工程建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用。然而,對于連續(xù)梁墩頂縱向水平線剛度最小限值的選取則沒有規(guī)范進行明確規(guī)定。一些設(shè)計單位對連續(xù)梁的墩頂縱向剛度按以下兩種情況處理:對聯(lián)長小于列車編組長度的,制動墩剛度以聯(lián)長為跨度,按跨度增大的比例增大剛度值;對聯(lián)長大于列車編組長度的,按列車編組長度為跨度長,按跨度增大的比例增大剛度值。按上述原則控制連續(xù)梁墩頂縱向剛度,以 3-25 m連續(xù)梁為例,采用 4輛列車編組,其編組長度 78.08 m,以簡支梁 40 m跨剛度限值換算結(jié)果為 750 kN/cm。按此結(jié)果設(shè)計,會存在以下問題:

(1)制動墩尺寸大,與非制動墩及聯(lián)間墩形成鮮明反差,外觀效果差;

(2)對于軟土地基及墩高較高的輕軌橋梁是難以實現(xiàn)的,或者說為滿足剛度要求而增加樁基數(shù)量、加大承臺及墩柱尺寸等措施所增加的工程費用是巨大的,不經(jīng)濟的;

(3)其應(yīng)用缺乏理論依據(jù)。

如何確定連續(xù)梁的墩頂剛度限值,還應(yīng)與無縫線路軌道設(shè)計相結(jié)合,立足于橋梁和軌道結(jié)構(gòu)組成的力學(xué)平衡體[4],更全面地分析問題,而不是片面、機械地套用規(guī)范。

橋上無縫線路設(shè)計,必須檢算由于溫度變化、列車制動、起動等產(chǎn)生的鋼軌附加力。同時為了保證橋梁的受力安全,應(yīng)檢算相應(yīng)墩臺附加力[5～7]。在列車制動力作用下,橋梁墩臺頂縱向制動附加力及分布除受輪軌粘著系數(shù)、線路阻力等參數(shù)影響外,主要由墩臺頂縱向水平線剛度及相鄰墩臺頂剛度匹配所決定。根據(jù)國家“九五”科技攻關(guān)專題研究成果,制約橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度的主要因素是鋼軌中的附加應(yīng)力[8]。構(gòu)成橋上鋼軌附加應(yīng)力的3項內(nèi)容是:制動力、伸縮力(溫度附加力)和撓曲力。這 3種附加力對橋墩縱向水平剛度影響情況如下。

(1)伸縮力作用下,鋼軌的拉壓力隨橋墩剛度的增加而增加,當(dāng)橋墩有足夠的剛度(≥6000k N/cm)時鋼軌力增加的幅度不大。因此,當(dāng)著力于探討小跨度橋墩是否可以采用較小剛度限值時,伸縮力作用對研究的影響是偏于安全的。

(2)撓曲力作用下,鋼軌拉力受橋墩剛度的影響甚小,而鋼軌壓力亦隨橋墩剛度的增加而增大?？梢姄锨ψ饔脤ρ芯恳彩瞧诎踩?。

(3)制動力作用下,鋼軌的拉力隨橋墩剛度的降低而增大,因此要探討橋墩剛度降低對于鋼軌力的影響關(guān)鍵在于制動力作用下鋼軌力的變化規(guī)律。

我國高速鐵路線橋結(jié)構(gòu)與技術(shù)條件的研究報告中也指出,列車制動時產(chǎn)生的鋼軌附加應(yīng)力隨下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度的降低而增大,伸縮力、撓曲力產(chǎn)生的附加應(yīng)力隨下部結(jié)構(gòu)剛度的降低而減少。但是,剛度對制動附加應(yīng)力的影響比伸縮附加應(yīng)力和撓曲附加應(yīng)力的影響要大得多。如果將伸縮力和制動力疊加,那么疊加的結(jié)果將隨著剛度的增加而減小[9]。因此,墩頂剛度越小,橋梁所受制動力越小,但鋼軌制動附加應(yīng)力越大;增大墩頂剛度可降低鋼軌附加應(yīng)力,但使得墩頂制動力增大,同時也會增大軌道斷軌力甚至?xí)管壍罃嗔褟亩绊懶熊嚢踩?。另?在制動力作用下梁軌之間必然產(chǎn)生相對位移,由此可見,影響墩頂縱向水平線剛度限值的因素就取決于兩方面:一是橋上鋼軌的附加應(yīng)力;二是在制動力作用下梁軌相對位移的大小。在“八五”、“九五”國家重點科技攻關(guān)計劃相關(guān)專題研究中,建議鋼軌的最大附加應(yīng)力限值為:81 MPa(拉)、61 MPa(壓),列車制動力作用下梁軌間的相對位移應(yīng)控制在 4 mm以下。值得提出的是,對于無砟軌道橋梁,由于制動力作用下的有砟軌道的“梁軌快速位移 4 mm”限值已不適用,現(xiàn)階段橋梁采用非縱連型無砟軌道時,墩臺頂縱向線剛度可偏安全的暫按有砟軌道限值取用。

2 連續(xù)梁“軌道 -梁 -墩 -基礎(chǔ)”一體化計算模型的建立

橋上無縫線路是一個非常復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng),鋼軌、橋梁之間相互制約、相互協(xié)調(diào),若考慮橋梁兩端路基的作用,情況就更復(fù)雜,鋼軌與橋梁組成了一個相互影響的整體。本文采用力學(xué)模型見圖1,該模型為“軌道 -梁 -墩 -基礎(chǔ)”一體化計算模型,該模型采用連接彈簧來模擬道砟層;不考慮活動支座對縱向附加力的影響;固定支座和橋墩之間通過彈簧連接;墩底使用彈簧來模擬基礎(chǔ)剛度對橋上無縫線路縱向附加力的影響。采用大型通用有限元程序 ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言進行二次開發(fā),編制橋上無縫線路計算程序,對計算項目進行加載、計算,最后輸出橋梁縱向位移、鋼軌縱向位移、梁軌相對位移、鋼軌附加力、墩臺頂位移以及墩臺頂附加力、鋼軌斷縫寬度等數(shù)據(jù)。

圖1 “軌道 -梁 -墩 -基礎(chǔ)”力學(xué)模型

模型所采用的單元類型,主梁、橋墩以及鋼軌:采用 Beam54梁單元模擬,該單元能承受拉壓與彎曲,每個節(jié)點上有 3個自由度,沿 x軸和 y軸的位移和繞 z軸的轉(zhuǎn)動。該單元屬于異型梁單元,允許具有不對稱的斷面結(jié)構(gòu),并且允許斷面節(jié)點偏離截面形心位置,因而可適用于不同梁體的模擬。由于不考慮活動支座影響,故僅需建立制動墩固定支座即可。在模型中,橋梁的縱向位移計制動(啟動)力是主動作用,通過梁軌間的縱向約束帶動長軌條發(fā)生縱向位移,在長軌條中產(chǎn)生縱向附加力;同時梁軌間的縱向約束力又以相反的方向作用在橋梁上,并傳遞至固定支座上,帶動墩臺產(chǎn)生縱向位移,使橋梁上翼緣的縱向位移發(fā)生改變,可見軌道 -梁 -墩 -基礎(chǔ)是一相互作用的耦合系統(tǒng)。通過求解該系統(tǒng)的平衡位置,即可得到鋼軌中的縱向力、位移及橋梁縱向位移、墩臺縱向力及位移。

3 計算與分析

本文計算的模型采用標準雙線 3跨 25 m單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,橋上為整體道床,鋪設(shè)無縫線路,鋼軌采用 60 kg/m U75V,WJ-2型小阻力扣件,混凝土短軌枕。設(shè)計活載采用 B型車,4輛編組,荷載長度 78.08 m,軸重 140 k N。對于較長的輕軌區(qū)間橋梁,采用兩端全設(shè)置后繼結(jié)構(gòu)的模型,取中間典型的 5聯(lián)梁為研究對象,全部位于固定區(qū),不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。每聯(lián)取其中一個墩為制動墩,設(shè)置固定支座,其余橋墩為非制動墩和聯(lián)間墩,設(shè)置活動支座。制動力按單線制動計算,撓曲力按雙線加載計算,溫度伸縮力按橋梁升降溫 20℃考慮。橋梁制動墩下部整體水平線剛度按 20、50、100,150、350、600 kN/cm分別計算 。計算對梁軌相對位移及鋼軌附加應(yīng)力兩方面進行分析,計算結(jié)果見表2。

表2 鋼軌附加應(yīng)力、制動工況梁軌快速相對位移計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果,對梁軌相對位移來說,在列車制動力作用下,梁軌相對位移最大值一般出現(xiàn)在制動力起始位置,按普通膠墊 1 mm為滑移界限[10],當(dāng)墩頂水平線剛度大于350 kN/cm時,扣件不會出現(xiàn)滑移。扣件剛度的變化和墩頂縱向水平線剛度的變化對鋼軌附加應(yīng)力影響有限,計算結(jié)果均未超過鋼軌檢算強度的界限值。

4 結(jié)語

本文對影響輕軌連續(xù)梁墩頂縱向水平線剛度限值的因素進行了分析,雖然計算模型簡化了邊界條件,但至少可以得出以下結(jié)論。

(1)輕軌橋梁多為整體道床,一般采用小阻力扣件,而且活載比鐵路中 -活載小得多,在制動力作用下,梁軌相對位移的限值應(yīng)減小。

(2)連續(xù)梁墩頂縱向水平線剛度限值應(yīng)根據(jù)梁軌相互作用原理綜合考慮,不宜機械套用規(guī)范條文。由本文計算可知,僅從梁軌相對位移及鋼軌附加應(yīng)力考慮,本文計算模型制動墩墩頂縱向水平線剛度大于350 kN/cm即滿足要求。

在實際的輕軌橋梁設(shè)計中,設(shè)計邊界條件是復(fù)雜的,如地形、地質(zhì)條件,路橋、橋隧過渡段剛度差值過大,無縫線路的軌道扣件類型等都會影響橋墩縱向水平線剛度的選取,有待于進一步詳細研究。

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[2] 鐵道第三勘察設(shè)計院.橋涵地基和基礎(chǔ)[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[3] 北京城建設(shè)計研究總院.GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

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[7] 鐵建設(shè)函(2003)205號,新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計暫行規(guī)定[S].

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