津濱輕軌1 -50 m 簡支鋼混結(jié)合梁設計
摘 要:介紹津濱輕軌1 50 m 簡支鋼混結(jié)合梁的設計特點,針對其關鍵問題進行研究和探討。關鍵詞:輕軌; 鋼混結(jié)合梁; 設計1 概述軌的高程, 達到降低造價的目的, 決定采用1 50 m 簡支鋼混結(jié)合梁, 并采用頂推施工或吊車整體吊裝施工。津濱輕軌跨越京山鐵路位置處, 輕軌線路位于R = 600 m 的圓曲線上, 線間距3. 81 m , 線路縱坡為2 結(jié)構(gòu)型式及材質(zhì)選擇 19. 5 ‰,-15 ‰, 豎曲線半徑R= 8 000 m 。京山雙線鐵該橋位于曲線上,采用直線鋼梁。為增強結(jié)構(gòu)的路線間距4. 0 m , 軌面高程4. 00 m , 直線。輕軌與京山鐵抗扭性能,鋼梁采用雙箱單室敞口鋼箱梁。鋼梁施工路夾角28. 5°, 要求凈高7. 60 m 。為在施工期間盡可能就位后,鋼梁與鋼筋混凝土橋面板形成閉合雙箱單室減少對鐵路正常運營的影響和安全, 同時盡量降低輕結(jié)構(gòu)型式。
01 鋼梁分3 段制造,中間一段長30 m ,兩端各長10 收稿日期:2003 06 作者簡介:孫宗磊(1974 —),男,助理工程師,1998 年畢業(yè)于西南交通m。節(jié)段運至橋位后采用高強度螺栓連接。鋼箱梁采大學土木工程學院橋梁與結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。用U 形斷面,鋼梁高2. 9 m , 主梁腹板厚16 mm , 上翼緣面進行臺身檢算,以確定前墻底部尺寸。兩側(cè)墻頂部寬度為0. 4 m , 坡率與前墻相同,從而確定側(cè)墻底部尺寸。
(1) 設計思路
沿線地層簡單,第四系地層廣泛發(fā)育,地層分布從上到下依次為人工堆積層、新近沉積層、上部陸相層、第一海象層、中上部陸相層,上部及中上部地層廣泛沉積有十幾米厚的軟土。根據(jù)沿線的地層特點,對樁基礎類型及樁徑的選擇進行了分析比較。根據(jù)經(jīng)濟分析,一般高架橋基礎采用直徑0. 8 m 鉆孔灌注樁最為經(jīng)濟,較大直徑的鉆孔樁造價較高。對于較大跨度橋梁的基礎必要時也需采用直徑1. 0 m 及以上的鉆孔灌注樁,樁端持力層置于較硬的砂粘土或砂土層上。
(2) 鉆孔樁、打入樁技術(shù)比較
鉆孔樁與打入樁比較,打入樁施工時難度較大,工后沉降量也較大,不易控制。另外,由于沿線大多距居民住宅較近,打入樁施工擾民問題突出,難以滿足環(huán)保要求。因此,不宜采用打入樁。經(jīng)計算及經(jīng)濟比較, 除個別段高墩外, 余均采用8 根<0. 8 m 鉆孔灌注摩擦樁, 樁長宜控制在35 ～ 45 m 。若是樁根數(shù)較少, 樁長較長, 施工起來較困難, 因地質(zhì)條件較差, 地面下約有十幾米的軟土層;若是樁根數(shù)較多, 樁長較短, 必定造成浪費。
5 結(jié)語
城市軌道交通工程不同于一般的鐵路,它在車輛制式、設計荷載、凈空要求、環(huán)境要求等方面都有新的特點。如何合理地確定有關技術(shù)標準,對保證工程質(zhì)量、降低工程造價都有十分重要的意義。對于下部結(jié)構(gòu)設計,還應針對城市軌道交通的特點,不斷總結(jié)經(jīng)驗,尤其是無縫線路作用力的計算以及對墩臺的分配問題等的經(jīng)驗,使之完善,從而使該技術(shù)標準化。板厚26 mm , 兩端下翼緣梁段厚30 mm , 中間梁段下翼緣厚50 mm 。箱梁腹板中心距1 400 mm , 雙箱內(nèi)側(cè)腹板中心距2 200 mm 。其結(jié)構(gòu)型式如圖1 所示。
圖1 結(jié)合梁橫斷面(橫梁及橫隔板未示) ( 單位:mm)
全橋每隔5 m 左右設置橫梁、橫隔板,每隔1. 75 m 左右設置豎向加勁肋,豎向加勁肋為單個,位于腹板內(nèi)側(cè)。腹板設置一個水平加勁肋,下底板設置2 個縱向加勁肋,縱向加勁肋全橋長連續(xù)。為對鋼梁進行檢修,除端橫隔板外,其余橫隔板均設置1. 2 m ×0. 5 m 檢查孔。梁端附近外側(cè)腹板開孔以進入箱梁內(nèi)部。設計中對鋼梁材質(zhì)16Mnq 和14MnNbq 按相同梁高分別進行了比選。14MnNbq 鋼材可以做到板厚50 mm , 而且板厚引起的承載力折減效應不明顯,同時其韌性指標和焊接性能均比較好。根據(jù)計算結(jié)果,跨中需要用50 mm 的厚板, 根據(jù)比選采用了14MnNbq 鋼材。橋面板采用C50 鋼筋混凝土。3 橋梁設計荷載及相關規(guī)定
(1) 恒載
一期恒載包括鋼梁自重,模板,鋼筋混凝土橋面板重,該荷載由鋼梁承擔。二期恒載按70 kN/m 計算,由鋼梁與鋼筋混凝土橋面板形成的組合截面承擔。
(2) 活載按6 節(jié)車輛編組設計,重車軸重為140 kN , 空車軸重為75 kN 。該橋位于曲線,鋼梁直做,線形由橋面板調(diào)整。鋼梁布置采用平分中矢法。由于偏載引起的活載效應按杠桿原理進行分配。
(3) 動力系數(shù) 22.4 1 +μ =1 + 40 +L 式中,L為梁跨的有效跨度,m。
(4) 溫度力
按鋼梁與鋼筋混凝土橋面板溫度差±15 ℃ 考慮。
(5) 混凝土收縮徐變影響
混凝土收縮按現(xiàn)澆混凝土降溫15 ℃,并考慮混凝土徐變影響。
(6) 剪力傳剪器
采用<22 柔性栓釘,承載力及疲勞剪力幅分別采用50 kN 和25 kN 。
4 鋼混結(jié)合梁的設計與研究
4. 1 總體思路
該橋按頂推拖拉施工方法進行設計。分兩個施工階段,第一施工階段鋼梁拖拉就位,以鋼梁為模架進行鋼筋混凝土橋面板澆筑,此時一期恒載由鋼梁承擔;第二施工階段橋面設備施工,二期恒載及活載由鋼梁與鋼筋混凝土橋面板形成的組合截面承擔。由于該橋位于曲線上,在設計中同時考慮組合梁扭矩效應和畸變效應。
4. 2 換算截面的合理計算方法
4. 2. 1 混凝土板有效寬度計算(圖2)
混凝土板的有效寬度按以下各項中之最小值。
(1)主梁間的板寬W
① 兩主梁中心距之半;② 主梁跨度的1/6 ;③ 如板有梗脅時,取b/2 +c+6 h。
(2)主梁外側(cè)的懸臂板寬W1
① 主梁中心至板的懸臂端之間的距離;② 主梁跨度的1/12 ;③ 如板有梗脅時,取b/2 +c+6 h。
圖2 混凝土板有效寬度示意
4. 2. 2 結(jié)合梁截面特性計算第二階段,計算結(jié)合梁截面特性,分不同工況,將混凝土截面換算成鋼截面。鋼與混凝土的彈性模量比值n按表1 采用。
表1 鋼與混凝土彈性模量比值
計算分2 種方法進行,相互校核。一種是保持混凝土板的高度不變,混凝土板的有效寬度除以鋼與混凝土的彈性模量比值n, 換算成鋼截面;另一種方法是采用面積換算。在設計中,因換算截面中心軸相差2 cm , 截面慣性矩也相差微小,可以說2 種方法基本一致。因此,在該橋設計中,無論采用哪種方法都是可行,符合假定。最后,在設計中采用面積換算求相關截面特性。混凝土板、鋼梁及結(jié)合梁關系見圖3 。具體計算公式如下 Fz= Fg+ Fh/n αh=α × Fg/ Fz αg=α × Fh/ Fz Iz = Ig+ Ih/n+ Fz ×αh ×αg 式中 Fh,Fg,Fz 混凝土板、鋼梁、結(jié)合梁的橫截面面積,m2 。αh 結(jié)合梁換算截面重心與混凝土板重心的距離,m。αg 結(jié)合梁換算截面重心與鋼梁重心的距離,m。α 混凝土板與鋼梁重心間的距離,m。Ih,Ig,Iz 混凝土板、鋼梁、結(jié)合梁對各自中性軸的截面慣性矩,m4 。
圖3 重心位置關系
4. 3 混凝土的收縮、徐變《鐵路結(jié)合梁設計規(guī)定》(TBJ 24 90) 中,沒有明確徐變計算方法,僅僅是通過計算混凝土收縮,采用彈性模量法計算。彈性模量比值n的取用,考慮了徐變。該橋設計采用《鐵路結(jié)合梁設計規(guī)定》(TBJ 24 90) 中推薦的公式。因為該橋又是簡支鋼混結(jié)合梁,不存在預加力問題,混凝土徐變引起的內(nèi)力重調(diào)整影響不是特別大。因此,采用考慮了徐變的彈性模量比的計算方法對本橋是可行的。
4. 4 抗剪栓釘?shù)脑O計研究
結(jié)合梁的使用性能取決于剪應力的有效傳遞。試驗表明,單靠自然粘接不足以保證在大荷載時界面處有足夠的共同作用。因此,使用剪力傳剪器是完全有必要的。
傳剪器除了傳遞剪力,同時還必須把混凝土板錨固在鋼梁上。由于扭轉(zhuǎn)和作用在鋼梁上的向下荷載在界面處引起混凝土板和鋼梁的垂直分離,產(chǎn)生了板的上拔作用,雖然在通常的計算中沒必要計算向上的力, 但在設計傳剪器時還是具有特殊的形狀,以足夠阻止連接部位構(gòu)件的抬起和滑移。
在結(jié)合梁的設計中,橋面板承受的活載是可以移動的,所以橋面板承受的車輛荷載是變化的。這樣橋面板承受的表面剪力和傳剪器的受力都有變化。在這種情況下,疲勞破壞成為設計的準則,因而傳剪器設計必須滿足疲勞要求。本橋采用栓釘型傳剪器,其形狀見圖4 。
圖4 傳剪器圖式
根據(jù)國內(nèi)外有關規(guī)范和蕪湖長江大橋有關科研項目的研究實驗成果,本橋栓釘傳剪器設計按以下原則進行。(1)柔性傳剪器采用<22 的栓釘,其技術(shù)條件應符合《圓柱式焊釘》(GB10433) 的規(guī)定。
(2) 栓釘在C50 混凝土中的剪切承載力容許值
[Q]為50 kN ,200 萬次疲勞的剪力幅值ΔQ =25 kN 。
4. 5 穩(wěn)定計算
鋼混結(jié)合梁的穩(wěn)定在第二階段由于混凝土板與鋼梁形成整體截面,因此穩(wěn)定一般不會存在問題。在第一施工階段,由于鋼梁為敞口截面,穩(wěn)定性很差,因此第一施工階段的穩(wěn)定問題非常重要。本橋使用空間有限元程序進行了空間分析,通過設置合理間隔的橫梁、橫隔板和加勁肋,能夠很好地防止結(jié)構(gòu)局部屈曲,滿足施工及運營階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定要求。
5 結(jié)語
本橋的設計關鍵在于換算截面的合理計算、混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響、混凝土板與鋼梁的可靠聯(lián)結(jié)、施工階段的穩(wěn)定等方面。
本橋跨度比較大,而且位于曲線上,半徑小,同時橋上坡度變化大,給設計造成很大困難;但是經(jīng)過認真研究,精心設計,在借鑒其他同類橋型成功經(jīng)驗的基礎上,問題得到了很好的解決,為解決此類跨越建筑物, 提供了成功經(jīng)驗。此類橋型如果能夠在解決噪聲等問題上再進一步優(yōu)化設計,將會更有發(fā)展前途。
參考文獻:
[ 1 ] TBJ24 90. 鐵路結(jié)合梁設計規(guī)定[ S]
[ 2 ] 項海帆. 高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[ M] . 北京:人民交通出版社,2001
