津濱輕軌預應力混凝土連續剛構橋設計研究
摘 要:介紹津濱輕軌一期工程中2 座預應力混凝土連續剛構橋的設計、薄壁墩優化與剛構橋合龍措施的研究,結合橋式方案的選擇,說明輕軌鐵路橋梁的設計特點。關鍵詞:津濱輕軌; 預應力混凝土連續剛構橋; 薄壁墩; 無縫線路; 設計1 概述
天津市區至濱海新區快速軌道交通一期工程全長45. 409 km , 在DK36 + 630. 7 二跨津塘公路,設42 m + 62 m + 62 m + 42 m 4 跨預應力混凝土連續剛構橋; 在DK43 + 190. 6 跨新港四號路,設36 m + 56. 8 m + 56. 8 m + 36 m 4 跨預應力混凝土連續剛構橋。這2 處橋位城市軌道交通的活載對大跨度橋梁而言,約相當于公路汽車超20 級活載標準的1. 5 倍,由于軌道交通車輛荷載軸重不大,使得連續剛構的設計較為靈活。關鍵是主墩的柔度要合理,在保證主墩承載能力的同時,柔度越大,上部結構越接近連續梁,墩臂的內力越小,對基礎的影響也越小。對于橋墩的優化比選,后面詳細介紹。圖1 為二跨津塘公路橋的總體布置圖。線路情況復雜,且在橋上不能設置無縫線路的溫度調節器, 反復研究后,決定采用4 跨預應力混凝土連續剛構橋方案。本文主要針對2 跨津塘公路橋進行介紹。
圖1 二跨津塘公路橋的布置(單位:cm)
2 橋梁結構形式選擇2. 1 橋式方案選擇二跨津塘公路橋與既有道路斜交24. 5°,夾角小,橋位范圍內地下管線較多。采用預應力混凝土連續剛構方案,可以降低梁部支點的負彎矩以及跨中的正彎矩;施工過程中,無須設臨時支墩,有利于懸澆施工;抗震性能好,可免除設置專用大噸位抗震支座以及防震落梁裝置。尤其在橋位線路范圍內,沒有條件設置軌道溫度調節器。如采用連續梁體系,必須設置強勁的制動墩來克服長鋼軌作用力,造成平面布置困難,而且影響景觀效果。采用4 跨預應力混凝土連續剛構橋,由于制動力和橋上的長鋼軌作用力可由3 個主墩共同承擔,則很好地解決了這個問題。
2. 2 連續剛構的結構型式
圖1 二跨津塘公路橋的布置(單位:cm) 上部結構采用預應力混凝土變高度梁,單箱單室截面,由于主跨為中等跨度,僅在縱向施加預應力。本橋地基條件較差, 又是無碴軌道線路, 為了很好地控制沉降, 需采用深基礎。考慮現有設備和經濟因素, 選擇<1. 0 m 鉆孔灌注樁, 持力層選擇在f k = 280 kPa 細砂層。
3 設計概要
3. 1 基本設計條件
(1) 線路類別 輕軌。
(2) 正線數目 雙線。
(3) 設計最高行車速度 100 km/ h 。
(4) 軌道 無縫線路, 正線軌道采用60 kg/m 鋼軌;軌距1 435 mm , 上建高度52 cm 。
(5) 橋面系 無碴無枕,承軌臺采用鋼筋混凝土支承塊。
根據結構力學原理,通過等效剛度換算,把群樁基礎換算成2 根面內等效樁柱,柱底固接,從而建立考慮樁土抗力的彈性約束的計算模型,見圖4 。
近來鐵道部組織對樁基礎橋墩縱向剛度進行很多研究測試,結果顯示,實測的剛度值一般大于理論計算值,但不大于2 倍。經過計算分析研究,從安全 并適用的角度出發,在實際采用的計算模型中, 等效樁柱的理論計算剛度取群樁基礎換算剛度的2 倍。 在具體計算過程中,進行了2 排樁、3 排樁、
圖2 單線重車車輛荷載(單位:m)
(9) 無縫線路作用力 根據不同的孔跨布置作用不同的無縫線路作用力,本項目按表1 進行長鋼軌作用力的荷載組合計算。 斷軌力只考慮單股鋼軌斷裂的情況。曲線橋上,應計算溫度力和伸縮力(或撓曲力) 作用于墩臺和支座上的橫向分力,且這種分力按主力檢算。表1 長鋼軌作用力kN/ 軌孔跨布置為(37 + 56. 4 + 55. 9 + 37)m 的長鋼軌作用力
(10) 風力 風壓強度W = K1 ×K2 ×K3 ×W0 = 1.3 ×1.0 ×1.0 ×0.49 = 0.6 kPa 。
(11) 溫度力 體系溫差按溫升20 ℃ 、溫降15 ℃ 計,日照溫差按橋面板均勻升溫10 ℃ 計。橋跨結構設計合龍溫度為6～11 ℃ 。
(12) 地震力 設計烈度采用Ⅶ 度。
3. 2 主要材料
(1) 混凝土 主梁C50 , 主墩C50 , 邊墩C40 , 承臺C30 , 樁基C20 。
(2) 鋼筋 Ⅱ 級,HRB335 。
(3) 預應力鋼材 低松弛高強度預應力鋼絞線, <15.24 mm ,fpk = 1 860 MPa 。
4 結構設計要點
4. 1 計算模型
正多邊形的梅花樁布置,適當增加中主墩基礎的整體縱向剛度,有利于在全橋承受縱向水平力的時候,中主墩能夠多分擔全橋的縱向水平力和彎矩,適當均衡3 個主墩的內力分配,提高全橋的整體承載能力。
4. 2 薄壁墩設計優化
(1) 墩壁柔度的確定
為了選擇梁與墩之間合理的剛度比,分別對雙壁墩、單壁墩與雙壁墩組合、單壁墩形式、以及單壁墩不同壁厚進行了系列計算分析。在同樣壁厚的情況下, 墩的橫向寬度變化對墩的縱向剛度影響較小,計算分析中對2 種墩寬3. 0 、3. 4 m 進行了比較,采用墩寬3. 4 m 與箱梁梁底同寬,構造簡潔,橫向剛度大,整體效果比墩寬3. 0 m 好。表2 列出了在同樣墩寬情況下,剛構橋主墩不同壁厚的應力控制情況。通過計算分析,雙壁墩與單壁墩相比較,并沒有明顯優勢,而且構造過于復雜,施工難度大。單壁墩在墩寬一定的情況下,經過綜合計算比較,壁厚采用1. 2 m 。
(2) 梁體預應力鋼束布置對墩壁受力的影響
通過大量計算分析,發現邊跨與中跨的頂、底板縱向預應力鋼束對薄壁墩的內力分配都有影響。邊跨與中跨底板配束是由跨中強度控制的,并可在一定范圍內調整優化。通過對梁部縱向預應力鋼束調整優化, 可均衡薄壁墩的內力分布。在兩個中跨合龍段采取同時施頂措施來調整結構表2 主墩墩壁計算比較內力。邊跨成型后結構由雙懸臂梁轉化為單懸臂梁。
適當減少邊跨的底板束和中跨的頂板束效果較好,增加邊跨頂板束的意義不大。優化設計后,邊、中跨頂板束都可減到2 束77 <5 。這樣,可以在保證對箱梁施加足夠的縱向預應力的基礎上,將薄壁墩所受彎矩減少,使受力趨于均勻。
(3)墩壁構造措施
針對墩梁固結點處應力比較集中的情況,設計時, 在沿橋軸線方向的墩壁與箱梁底平面之間采用半徑20 cm 的圓弧抹角進行過渡,既不影響整體的柔度又緩解了局部過大的應力;在墩梁固結附近的墩壁混凝土面層設置間距50 mm ×50 mm 的<5 鋼絲網片,主墩墩身采用聚丙烯網狀纖維加強,以控制裂縫的開展,并在墩、承臺接合部施加SRA 型混凝土防腐加強劑等,用于防止混凝土局部損傷。
4. 3 體系轉換與內力調整及合龍措施研究
(1) 體系轉換與內力調整
采用懸澆法或分段現澆法施工的預應力連續剛構在施工過程中需進行體系轉換。T 構合龍,體系轉換完成之后,由于混凝土收縮、徐變的影響,薄壁墩內彎矩很大,使薄壁墩配筋困難; 并且,使得運營階段樁基礎在最不利荷載作用下承臺底正彎矩比承臺底負彎矩大50 % 以上,鉆孔樁中跨方單樁最大軸力遠大于邊跨方單樁最大軸力,樁基承載力沒有得到充分利用。為了消除混凝土收縮、徐變對結構產生的不利影穩定性大大提高,可在其上施加頂力,由此確定4 跨連續剛構橋的施工順序為先邊跨后中跨。
中跨合龍段所施加的頂力對主梁結構內力影響甚小,對薄壁墩的內力影響很大。頂力使薄壁墩產生的彎矩和剪力均與混凝土收縮、徐變產生的薄壁墩次內力方向相反,對結構的受力有利。對于二跨津塘公路橋,中跨合龍段施加2 600 kN 頂力后,薄壁墩墩底恒載彎矩可減少約42 % , 承臺底彎矩也相應減小,單樁最大軸力也可降低。同時,設計中,考慮了將邊主墩基礎在縱向偏中心橋墩方向各設置10 cm 預偏心,進一步減少承臺底最大正彎矩與最小負彎矩的差值,使樁基設計更加合理。
(2) 合龍措施研究收縮、徐變對結構產生的不利影響在合龍時可采取2 項措施加以調整:施加頂力和降低中跨合龍段溫度。為了使合龍段的施工更具有可操作性,合龍鎖定溫度應給出一定的變化范圍。在結構設計允許的情況下,應盡量提供較大的合龍鎖定溫度變化范圍,以方便施工。本橋合龍溫度鎖定范圍確定為6～11° C , 由此確定了年溫度變化溫降為-15°溫升為20° C、C , 溫降荷載低于溫升荷載5° C , 對結構受力有利。當實際合龍溫度不在設計預期的鎖定溫度范圍時,應根據實際合龍時的溫度及混凝土收縮、徐變對結構的影響來調整施加頂力的大小。
5 結語
大跨度多跨連續剛構橋應用于城市軌道交通中, 由于橋梁高度低,設計難度大。設計中充分考慮了這種結構形式的受力特點,并對關鍵技術進行了充分的研究。兩橋于2002 年7 月完成施工圖設計,預計2003 年10 月建成通車。這種結構形式在津濱輕軌工程中的成功應用,可為其他軌道交通項目類似工程的應用提供經驗參考。
原作者：楊春立
