跨座式单轨2×70 m 组合转体桥设计创新

焦亚萌 刘永锋 赵 博

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

跨座式单轨是一种通过单根轨道来支撑、稳定和导向,车体骑跨在轨道梁上运行的铁路[1-2],具有适应性强、噪声低、转弯半径小、爬坡能力强等优点[3]。由于轨道梁本身结构尺寸较小,对应不同要求的跨越点,可采用不同的结构形式[4]。国内外众多学者对跨座式单轨的桥梁结构形式进行研究,刘永锋对重庆轻轨PC 轨道梁进行了系统地设计总结[5];窦仲赞介绍一种简支变连续的轨道梁方案,其跨度达到30 m[6];邱靖权等结合某(40+60+40) m 悬挂式连续钢轨道梁桥设计,分析该桥在不同荷载组合下的应力与变形;并研究比较各截面参数对结构强度、刚度以及用钢量的影响[7]。一般情况下,对于超过50 m 的大跨节点,常采用双层复合结构(即梁上托梁的形式)[8],作为桥梁整体承力结构,而单轨车辆骑跨的轨道梁,则只承受单轨列车的活载[9],通过抗拉支座和垫石,将列车活载传递给托梁,并不参与整体受力[10]。根据跨越点跨度、景观及经济性,可采用连续梁、连续刚构、连续梁拱桥、斜拉桥等结构形式[11-13]。如我国重庆单轨的鱼洞长江大桥、新华立交桥等均采用梁上托梁的结构。该种结构受力简单,但总体结构较高,经济性差。针对以上情况,结合芜湖轨道交通2 号线上跨宁安城际2×70 m转体组合梁,介绍一种适用中等跨径的新型组合轨道梁结构。

1 工程概况

工程位于芜湖轨道交通2 号线与宁安客专交汇处,桥址区地震基本烈度6 度,地震动峰值加速度为0.075g。一月平均气温2.9℃,极端最低气温-13.1 ℃,七月平均气温28.7 ℃,极端最高气温为41 ℃。地层主要为粉质黏土、泥质砂岩、凝灰岩。

交叉处孔跨布置为2-70 m T 构钢混组合梁,全长140 m。平面位于直线上,立面位于半径3 000 m 的竖曲线上,关于中墩对称,两侧设5‰的人字坡,全桥立面见图1。

2 设计构思

本线跨越宁安客专后,线路沿北京路继续向东敷设,以R=100 m 的小半径转向北后进入弋江路站,且距离车站较近,需采用大坡度降低轨面高程。小半径加大坡度会极大影响乘车舒适度,如能将坡度优化至3%,将有效改善乘车舒适性[14-15]。

常规的梁上梁体系见图2,由PC 轨道梁、支座、垫块构成,轨面到梁顶面总高度为3.2 m。因结构较高,线路纵坡无法降至3%,不利于轨道线形及行车的舒适性。因此,可从结构高度上考虑优化。

图2 常规梁上梁结构(单位:mm)

为了解决该问题,最初考虑采用混凝土轨道梁与托梁全固结的形式。结构断面见图3。经过初步试算,轨道梁混凝土应力超标,故予以舍弃。

图3 混凝土轨道梁固结方案断面(单位:mm)

在混凝土轨道梁固结方案不可行的情况下,考虑采用钢梁来代替混凝土轨道梁,最初方案如图4 所示,该方案基本可以实现设计意图,使钢轨道梁参与整体结构受力,但施工混凝土托梁时需要预埋钢轨道梁,难度较大;如采用钢轨道与预埋段分开,后期再焊接的方式,线形调整又很困难。因此,需要对该方案进行优化。

图4 钢轨道梁固结方案断面(单位:mm)

最终采用如图5 所示结构,兼顾了材料、结构,施工可行性等多方面因素。该方案上部轨道梁为钢梁,下部为混凝土托梁,两者之间通过承轨台进行后期连接。轨道梁和托梁相对独立,在混凝土托梁施工时,可同步加工制造轨道梁,通过调整两者直接结合的时间,来调整两结构分担的恒载和减小二者之间的收缩徐变力。

图5 断面布置(单位:mm)

3 结构设计与研究

3.1 主梁

主梁由下部混凝土托梁和上部钢轨道梁两部分组成。混凝土托梁采用变高度单箱单室直腹板箱梁结构,中墩处梁高6.9 m,梁端处梁高3.2 m。梁顶宽9.6 m,底板宽5.6 m,顶板35 cm,两侧悬臂板长2.0 m,悬臂板端部厚20 cm,根部厚60 cm。变高段底板厚35～180 cm。腹板厚度分两次过渡,为50～75～100 cm。全梁设置3 道横隔板,中支点处横隔板厚340 cm,边支点处端横梁厚150 cm,3 处横隔板均设有过人洞。

钢轨道梁采用总高1.5 m,外宽0.55 m 箱形截面。顶板厚24 m m,底板厚24 mm,腹板厚16 mm。每间隔1.25 m 设隔板,每个钢梁节段两端采用封闭隔板,隔板之间采用气密防腐。腹板外侧设置稳定面及导向面,板厚16 mm。顶板下方中部设置1 道纵肋,板厚20 mm。

有限元计算中,钢轨道梁和混凝土托梁采用双单元模拟,两者之间采用弹性连接。建立分析模型见图6。

图6 有限元分析模型

钢轨道梁和混凝土托梁应力计算结果见表1。

表1 结构应力 MPa

钢轨道梁和混凝土主梁之前通过承轨台固结,承轨台截面为矩形截面,宽1.3 m,高0.35 m。承轨台由梁端向跨中6.1 m 处设置1 道10 cm 断缝,中间段按顺桥向每2.4 m 设置1 道10 cm 断缝,用于桥面排水。

组合结构中,由混凝土托梁与钢轨道共同作用承担外荷载,对二者的抗弯刚度关系进行计算,结果见表2。

表2 截面抗弯刚度

分别计算组合结构和各自独立结构在活载作用下的挠度,结果见表3。

表3 活载结构挠度 mm

由表1、表2 可知,混凝土托梁对组合结构的刚度贡献要远远大于钢轨道梁。组合结构的荷载主要由混凝土托梁承担。

3.2 承轨台连接构造

钢轨道梁与混凝土托梁协同受力,类似于结合梁,不同的是,本桥钢结构位于上方,受日照等温度影响较大。因此,两者之间结合部的连接构造设计十分关键。本桥承轨台的设计中,考虑开孔板剪力件与剪力钉两种连接构造方案。

(1)开孔板剪力件方案

每个钢轨道梁下方腹板各设置1 道16 mm 厚钢板,钢板上设置两排孔,孔径50 mm,孔间距140 mm。每个孔内横穿φ16 mm 的钢筋。立面布置见图7。

图7 承轨台开孔板连接件方案(单位:mm)

(2)剪力钉连接方案

采用19 mm×250 mm 的剪力钉,横向间距100 mm,立面布置见图8。

图8 承轨台剪力钉连接方案(单位:mm)

以上两种形式均可以满足受力要求,但开孔板剪力件方案需设置2 道抗剪钢板,将承轨台横向分隔为3 部分,不利于后期承轨台混凝土浇筑。因此,决定选用剪力钉连接方案。

考虑温度荷载下梁端承轨台需要承受较大剪力,相应在梁端加强了剪力钉和混凝土梁预埋钢筋的配置。

本桥中托梁顶结构总高度为1.85 m,相较于常规梁上托梁结构(3.2 m 高度)减少1.35 m,大幅改善了线路行车条件。

3.3 主墩及基础

中墩墩顶设转体施工转盘,采用边长4.503 m 正六边形结构,转盘厚2 m,转盘底由圆曲线渐变至边长2.136 m 的正六边形结构,墩身曲线段高8 m,等截面段高14.5 m。中墩采用12 根φ1.5 m 摩擦桩,桩长45 m。

4 施工方法

为减小对所跨越铁路的运营影响,确保施工安全,混凝土托梁采用“悬拼预制+转体”施工方法。

混凝土托梁采用挂篮悬臂节段现浇,全桥共分0～17 号节段,梁体全部对称挂篮悬臂浇筑,不再设置两端合龙段。转体完成后,将梁端起顶至设计高程,安装边支座,再进行封固球铰,墩梁固结,完成混凝土托梁施工。最后分段吊装钢轨道梁,浇筑承轨台,将钢轨道梁与混凝土托梁结合为整体。为减小钢轨道梁和混凝土托梁之间的收缩徐变,要求钢轨道梁与混凝土托梁结合前,混凝土梁就位时间不少于90 d。

全桥主要施工步骤如下:施工基础、承台—施工桥墩—安装球铰—依次悬臂浇筑0～17 号节段,张拉对应预应力—称重—试转—正式转体—边墩顶梁,安装支座—封固球铰,墩梁固结—吊装各段钢轨道梁—钢轨道梁焊接连成整体—调整线型,浇筑承轨台。

5 技术创新

本桥型设计中,轨道梁不再采用传统的梁上托梁的简支结构,而采用与托梁纵向全桥结合的方式,在其就位安装后,作为组合结构的一部分参与体系整体受力,采用拉压性能更好的钢结构。

取消原简支轨道梁两端下的1.4 m 高的“承台+抗拉支座”设置,改为高度仅0.35 m 的通长承轨台结构,将钢轨道梁与托梁结构纵向通长结合,降低整体结构高度。因承轨台结构宽度有限,为避免其承受较大弯曲应力,承轨台纵向每相隔2.5 m 设置1 道断缝,使承轨台不参与整体结构的抗弯受力,仅将钢轨道梁和托梁二者结合,承担二者之间的剪力。

本结构的轨道梁与承轨台重量约为常规梁上梁二期恒载重量的75%,可在设计中进一步优化托梁梁高,以降低线路高程。

6 结论

以芜湖市轨道交通2 号线一期工程跨宁安城际2×70 m 转体T 构组合桥工程为依托,对转体法施工的大跨度跨座式单轨组合桥进行设计研究。

提出一种新型跨座式单轨组合桥结构形式,采用钢轨道梁与混凝土托梁的组合结构,取消常规结构两者之前的支座垫石,替代为全固结承轨台结构,使混凝土托梁与钢轨道梁协同参与全桥受力,充分利用材料性能的同时,有效降低轨道梁结构高度,为解决大跨度单轨结构线路高程受限提供了一种新思路。