摘 要:曲線橋是立交橋和高架橋的一種重要的結構形式,在365JT交通運輸中起著重要作用。主要研究重慶輕軌倒Ｔ形曲
線ＰＣ軌道梁橋的結構特點,并對其受力特性進行分析研究。
關鍵詞:高架橋;倒Ｔ形;ＰＣ軌道梁;重慶輕軌
中圖分類號:Ｕ448．28 文獻標識碼:Ｂ 文章編號:10042954(2004)06002905
1 概述
重慶市輕軌線路縱貫長江和嘉陵江間狹長的渝中半島,穿行于中梁山至真武山之間的低丘地帶,總長14．35ｋｍ。沿途共有14個車站、2個主變電所、1個車輛段、1個控制中心。重慶輕軌較新線一期工程在我國首次采用跨座式單軌交通系統,其軌道梁既是車輛的承重結構,又是車輛運行的軌道,因此365JT設計時除必須確保軌道梁的強度、剛度外,還必須確保軌道梁的線形精度。倒Ｔ形ＰＣ軌道梁是跨座式單軌交通系統軌道梁中具有突出特點的一種新型結構形式,具有跨越能力強、剛度大、噪聲低、防腐性好、耐久性高的優點,為365JT城市單軌交通跨越既有城市構筑物的首選方案之一。由于受線路平縱斷面、既有城市立交橋凈空和車輛限制,以及腰部安裝接觸網匯流牌需要,倒Ｔ形ＰＣ軌道梁的上部尺寸必須滿足85ｃｍ×150ｃｍ的斷面尺寸及相應的平面曲線,而且行車的凈空也有特殊要求(即上述梁斷面上方及左右都不能有障礙物),結構高度也受到限制。因此,跨座式單軌交通系統倒Ｔ形ＰＣ軌道梁的設計是一項全新的、具有較高設計難度的工作。重慶輕軌較新線一期工程于大堰村維修基地出入段線路跨越長江二橋北引道處,由于受地形、地物控制須采用較大跨度,且線路位于曲線上,因而入段線采用跨度為33．608ｍ和29．8ｍ的2跨倒Ｔ形ＰＣ簡支軌道梁;出段線采用跨度為40ｍ的3跨倒Ｔ形ＰＣ簡支軌道梁。由于跨座式單軌交通在我國實施尚屬首次,跨座式單軌交通系統倒Ｔ形ＰＣ軌道梁為國內首創,目前在國內外均無設計標準,更沒有“倒Ｔ形ＰＣ軌道梁”的設計資料和相關范例。因此,跨座式單軌交通系統倒Ｔ形ＰＣ軌道梁的設計研究是一項艱巨的創新工作。目前,根據日本和馬來西亞的經驗,跨座式單軌交通系統ＰＣ簡支軌道梁的跨度都不超過22ｍ,更大的跨度采用鋼結構或連續梁結構。鋼結構軌道梁一般是板梁,構造比較復雜,特別在小半徑的平面曲線上其構造更加復雜且構件的加工、組拼365JT施工都特別困難;馬來西亞曾采用跨度為40ｍ左右的直線連續ＰＣ軌道梁結構,截面為變高度形式,其梁高從跨中的1．5ｍ左右過渡到支點附近的3ｍ左右。考慮到在小半徑的平面曲線上設置變高度的連續ＰＣ軌道梁的設計和施工難度都很大,因此未采用上述方案。根據曲線梁扭矩較大的特點,首先比較“山”字形槽形梁和倒Ｔ形梁,經分析計算,槽形梁預應力配置較多、混凝土體積較大,施工中模板制作、預應力張拉不便;其次比較簡支和連續梁方案,連續梁通長束長約120ｍ,張拉后預應力施加的效果不好。故本設計采用了“倒Ｔ形ＰＣ簡支軌道梁”方案(圖1),并在大跨間的墩頂預留張拉空間,梁部施工完成后澆楔形混凝土。
圖1 倒Ｔ形ＰＣ軌道梁斷面(單位:ｍｍ)
設計段內的線路縱坡為3．343%與平坡,其銜接的豎曲線半徑Ｒ=1000ｍ,平曲線半徑為Ｒ=100ｍ(不設緩和曲線)。本文重點以出段線3跨跨度為40ｍ的簡支梁(圖2)為例,簡要介紹入段線簡支梁計算和倒Ｔ形ＰＣ軌道梁設計。其中第1跨(Ｂ1段)位于直線與圓曲線上,其直線部分跨長16．283ｍ,曲線部分跨長23．717ｍ;第2跨(Ｂ2段)位于圓曲線上;第3跨(Ｂ3段
)位于圓曲線與直線上,其曲線部分跨長38．854ｍ,直線部分跨長1．146ｍ。3跨均為后張全預應力混凝土簡支梁。由于是跨座式軌道梁,因此設計除滿足承載力要求外,還要求在制造過程中滿足線路設計要求的流暢的軌道線型。
圖2 重慶輕軌倒Ｔ形ＰＣ軌道梁(出段線)結構示意
2 重慶輕軌曲線梁橋特點
2．1 簡支曲線梁橋的主要力學特性
(1)豎向荷載下的受力特點同直線梁橋一樣,曲線梁橋在豎向荷載作用下,梁截面內產生彎矩和剪力,但由于曲線梁橋本身的幾何特性,導致梁發生扭轉而在截面內產生扭矩。扭矩的大小與曲線梁橋的曲線半徑有密切的關系,對于相同的豎向荷載,曲線半徑越小,截面內的扭矩越大;反之,扭矩越小。
(2)曲線梁的彎扭耦合作用根據彎梁的空間平衡條件、彎梁的幾何方程以及變形協調方程,可以得到描述位移、轉角與外荷載關系的彎梁基本微分方程(符拉索方程),其表達式為
由上述方程可以看出,彎梁平面內的荷載、內力和變形與垂直于彎梁平面的荷載內力變形互不影響;而式(1)和式(2)分別反映了豎向位移、扭轉角與外荷載的關系,兩個方程不相互獨立,即彎梁中彎矩與扭矩具有相互影響的特性,這就是曲線梁的彎扭耦合作用。(3)翹曲和畸變效應對于薄壁結構的曲線梁橋,當梁受扭時,若梁截面受到約束,縱向纖維在縱向不能自由伸縮,將會產生約束扭轉,截面上除扭轉剪應力外還有翹曲正應力。畸變是截面受扭后產生的變形,這時截面不再是原來的形狀,畸變產生翹曲正應力和畸變剪應力。對于薄壁結構,由約束扭轉產生的翹曲正應力和由畸變產生的翹曲正應力及畸變剪應力是不容忽略的。重慶輕軌主梁,由于其截面開孔較小,因此,翹曲和畸變變形也非常小,對梁內力的影響可以忽略不計,因此計算時可不考慮翹曲和畸變產生的影響。
2．2 設計荷載(圖3)
(1)恒載
結構容重按26ｋＮ/ｍ3計算自重;二期恒載包括各種管線重量,按2．25ｋＮ/ｍ考慮。(2)活載入段線及基地內試車線單軌車輛的設計荷載按滿員時(軸重110ｋＮ)考慮,基地內其余庫線單軌車輛的設計荷載按定員時(軸重90ｋＮ)考慮,疲勞檢算按定員活載計算。沖擊系數μ=20/(50+Ｌ),Ｌ為計算跨徑。離心力 當曲線梁半徑小于250ｍ時,需要考慮離心力的作用,離心力按車輛荷載乘以離心力系數計算,離心力系數ｃ=Ｖ2/127Ｒ,Ｖ為計算行車速度,取Ｖ=25ｋｍ/ｈ;Ｒ為曲線半徑。車輛的橫向力 由于輕軌前、后輪對于梁的橫向作用力方向相反、大小相等,因此對于具有偶數對車輪的梁,其橫向力相互抵消,合力為零;而對于具有奇數對車輪的梁,其對橫向力的合力為一對車輪的橫向作用力,按作用在行駛面高度處水平作用于與軌道軸線方向垂直的單軸集中荷載考慮,其大小為單軌車輛設計荷載單軸軸重的25%。(3)風荷載無車時風壓Ｗ1=0．845ｋＰａ,有車時風壓Ｗ2=0．8ｋＰａ,Ｗ1=0．676ｋＰａ。根據《鐵路橋涵設計基本規范》(ＴＢ10002．1—99)得到:基本風壓Ｗ0=500Ｐａ、Ｋ1=1．3、Ｋ2=1．3(Ｈ=50ｍ)、Ｋ3=1．0;無車時風壓Ｗ1=Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｗ0=845Ｐａ。(4)溫度混凝土結構隨溫度升降用月平均氣溫為參照來確定,取+20℃,混凝土收縮按降溫15℃考慮,不均勻日照按溫差5℃考慮。(5)制動荷載和啟動荷載制動荷載及啟動荷載是單軌車輛重心位置上作用于軌道方向的力,取單軌車輛設計荷載的15%。(6)地震烈度7度。在設計中根據《鐵路工程抗震設計規范》(ＴＢＪ111—87)按7度取水平地震系數Ｋｈ=0．10。計算地震荷載時活載按定員考慮,軸重Ｐ=90ｋＮ,且不計沖擊。
圖3 設計荷載圖式(單位:ｍｍ)
3 結構設計特點
3．1 荷載組合
(1)使用階段荷載組合
根據《鐵路橋涵設計基本規范》(ＴＢ10002．1—99)以及實際情況,確定以下6種組合。①基本組合 靜荷載+動荷載+沖擊荷載+離心力(或車輛橫向荷載);②組合Ａ 基本組合+溫度;③
組合Ｂ 基本組合+風荷載;④組合Ｃ 基本組合+風荷載+溫度;⑤組合Ｄ 基本組合+風荷載+溫度+縱向力;⑥組合Ｅ 基本組合+地震力。根據對上述組合進行計算的結果,得到最不利組合為⑤組合Ｄ。(2)破壞階段荷載組合①1．3×靜荷載+2．5×(動荷載+沖擊荷載+離心
力+橫向荷載);②1．75×(靜荷載+動荷載+沖擊荷載+離心力+橫向荷載);③1．3×靜荷載+2．5×(動荷載+沖擊荷載+風荷載)。
3．2 主梁設計及預應力鋼筋設置
(1)主梁設計
出段線倒Ｔ形ＰＣ軌道梁梁高2．8ｍ,上部1．85ｍ范圍為適應單軌車輛走行需要,采用與標準ＰＣ軌道梁相同的空心Ｉ字形截面,梁寬0．85ｍ;考慮結構抗扭和抗傾覆需要,下部0．95ｍ梁高范圍內的梁寬由支座處的4．20ｍ變化為跨中的3．00ｍ。為減小結構自重,截面挖空形成單箱多室箱形截面。兩端及中間設橫隔板。主梁主斷面形式見圖1。主梁采用Ｃ60混凝土,彈性模量Ｅｃ=3．75×104ＭＰａ。根據初步計算,由于曲線梁半徑較小,結構體系為簡支梁,因此梁端支座處扭矩很大,梁內側支座出現較大拉力。經反復計算,對梁截面進行了調整,將原梁端下翼緣寬度由3．0ｍ擴大為4．2ｍ,并設置0．6ｍ的偏心。調整后內側支座無負反力。原梁下翼緣底板,由于設置預應力鋼筋導致梁下翼緣底板面積削弱,因此將原設計中底板厚度由20ｃｍ調整為25ｃｍ。(2)縱向預應力筋設置預應力筋采用7?5(公稱直徑15．24ｍｍ)預應力鋼絞線,縱向預應力鋼筋采用每束12?15．24ｍｍ與15?15．24ｍｍ兩種規格的鋼絞線,錨具采用ＹＭ1512和ＹＭ1515,波紋管外徑分別為92ｍｍ和102ｍｍ,千斤頂采用ＹＣＬ420,錨下張拉控制應力為1320ＭＰａ。跨中斷面布置見圖4。
線ＰＣ軌道梁橋的結構特點,并對其受力特性進行分析研究。
關鍵詞:高架橋;倒Ｔ形;ＰＣ軌道梁;重慶輕軌
中圖分類號:Ｕ448．28 文獻標識碼:Ｂ 文章編號:10042954(2004)06002905
1 概述
重慶市輕軌線路縱貫長江和嘉陵江間狹長的渝中半島,穿行于中梁山至真武山之間的低丘地帶,總長14．35ｋｍ。沿途共有14個車站、2個主變電所、1個車輛段、1個控制中心。重慶輕軌較新線一期工程在我國首次采用跨座式單軌交通系統,其軌道梁既是車輛的承重結構,又是車輛運行的軌道,因此365JT設計時除必須確保軌道梁的強度、剛度外,還必須確保軌道梁的線形精度。倒Ｔ形ＰＣ軌道梁是跨座式單軌交通系統軌道梁中具有突出特點的一種新型結構形式,具有跨越能力強、剛度大、噪聲低、防腐性好、耐久性高的優點,為365JT城市單軌交通跨越既有城市構筑物的首選方案之一。由于受線路平縱斷面、既有城市立交橋凈空和車輛限制,以及腰部安裝接觸網匯流牌需要,倒Ｔ形ＰＣ軌道梁的上部尺寸必須滿足85ｃｍ×150ｃｍ的斷面尺寸及相應的平面曲線,而且行車的凈空也有特殊要求(即上述梁斷面上方及左右都不能有障礙物),結構高度也受到限制。因此,跨座式單軌交通系統倒Ｔ形ＰＣ軌道梁的設計是一項全新的、具有較高設計難度的工作。重慶輕軌較新線一期工程于大堰村維修基地出入段線路跨越長江二橋北引道處,由于受地形、地物控制須采用較大跨度,且線路位于曲線上,因而入段線采用跨度為33．608ｍ和29．8ｍ的2跨倒Ｔ形ＰＣ簡支軌道梁;出段線采用跨度為40ｍ的3跨倒Ｔ形ＰＣ簡支軌道梁。由于跨座式單軌交通在我國實施尚屬首次,跨座式單軌交通系統倒Ｔ形ＰＣ軌道梁為國內首創,目前在國內外均無設計標準,更沒有“倒Ｔ形ＰＣ軌道梁”的設計資料和相關范例。因此,跨座式單軌交通系統倒Ｔ形ＰＣ軌道梁的設計研究是一項艱巨的創新工作。目前,根據日本和馬來西亞的經驗,跨座式單軌交通系統ＰＣ簡支軌道梁的跨度都不超過22ｍ,更大的跨度采用鋼結構或連續梁結構。鋼結構軌道梁一般是板梁,構造比較復雜,特別在小半徑的平面曲線上其構造更加復雜且構件的加工、組拼365JT施工都特別困難;馬來西亞曾采用跨度為40ｍ左右的直線連續ＰＣ軌道梁結構,截面為變高度形式,其梁高從跨中的1．5ｍ左右過渡到支點附近的3ｍ左右。考慮到在小半徑的平面曲線上設置變高度的連續ＰＣ軌道梁的設計和施工難度都很大,因此未采用上述方案。根據曲線梁扭矩較大的特點,首先比較“山”字形槽形梁和倒Ｔ形梁,經分析計算,槽形梁預應力配置較多、混凝土體積較大,施工中模板制作、預應力張拉不便;其次比較簡支和連續梁方案,連續梁通長束長約120ｍ,張拉后預應力施加的效果不好。故本設計采用了“倒Ｔ形ＰＣ簡支軌道梁”方案(圖1),并在大跨間的墩頂預留張拉空間,梁部施工完成后澆楔形混凝土。
圖1 倒Ｔ形ＰＣ軌道梁斷面(單位:ｍｍ)
設計段內的線路縱坡為3．343%與平坡,其銜接的豎曲線半徑Ｒ=1000ｍ,平曲線半徑為Ｒ=100ｍ(不設緩和曲線)。本文重點以出段線3跨跨度為40ｍ的簡支梁(圖2)為例,簡要介紹入段線簡支梁計算和倒Ｔ形ＰＣ軌道梁設計。其中第1跨(Ｂ1段)位于直線與圓曲線上,其直線部分跨長16．283ｍ,曲線部分跨長23．717ｍ;第2跨(Ｂ2段)位于圓曲線上;第3跨(Ｂ3段
)位于圓曲線與直線上,其曲線部分跨長38．854ｍ,直線部分跨長1．146ｍ。3跨均為后張全預應力混凝土簡支梁。由于是跨座式軌道梁,因此設計除滿足承載力要求外,還要求在制造過程中滿足線路設計要求的流暢的軌道線型。
圖2 重慶輕軌倒Ｔ形ＰＣ軌道梁(出段線)結構示意
2 重慶輕軌曲線梁橋特點
2．1 簡支曲線梁橋的主要力學特性
(1)豎向荷載下的受力特點同直線梁橋一樣,曲線梁橋在豎向荷載作用下,梁截面內產生彎矩和剪力,但由于曲線梁橋本身的幾何特性,導致梁發生扭轉而在截面內產生扭矩。扭矩的大小與曲線梁橋的曲線半徑有密切的關系,對于相同的豎向荷載,曲線半徑越小,截面內的扭矩越大;反之,扭矩越小。
(2)曲線梁的彎扭耦合作用根據彎梁的空間平衡條件、彎梁的幾何方程以及變形協調方程,可以得到描述位移、轉角與外荷載關系的彎梁基本微分方程(符拉索方程),其表達式為
由上述方程可以看出,彎梁平面內的荷載、內力和變形與垂直于彎梁平面的荷載內力變形互不影響;而式(1)和式(2)分別反映了豎向位移、扭轉角與外荷載的關系,兩個方程不相互獨立,即彎梁中彎矩與扭矩具有相互影響的特性,這就是曲線梁的彎扭耦合作用。(3)翹曲和畸變效應對于薄壁結構的曲線梁橋,當梁受扭時,若梁截面受到約束,縱向纖維在縱向不能自由伸縮,將會產生約束扭轉,截面上除扭轉剪應力外還有翹曲正應力。畸變是截面受扭后產生的變形,這時截面不再是原來的形狀,畸變產生翹曲正應力和畸變剪應力。對于薄壁結構,由約束扭轉產生的翹曲正應力和由畸變產生的翹曲正應力及畸變剪應力是不容忽略的。重慶輕軌主梁,由于其截面開孔較小,因此,翹曲和畸變變形也非常小,對梁內力的影響可以忽略不計,因此計算時可不考慮翹曲和畸變產生的影響。
2．2 設計荷載(圖3)
(1)恒載
結構容重按26ｋＮ/ｍ3計算自重;二期恒載包括各種管線重量,按2．25ｋＮ/ｍ考慮。(2)活載入段線及基地內試車線單軌車輛的設計荷載按滿員時(軸重110ｋＮ)考慮,基地內其余庫線單軌車輛的設計荷載按定員時(軸重90ｋＮ)考慮,疲勞檢算按定員活載計算。沖擊系數μ=20/(50+Ｌ),Ｌ為計算跨徑。離心力 當曲線梁半徑小于250ｍ時,需要考慮離心力的作用,離心力按車輛荷載乘以離心力系數計算,離心力系數ｃ=Ｖ2/127Ｒ,Ｖ為計算行車速度,取Ｖ=25ｋｍ/ｈ;Ｒ為曲線半徑。車輛的橫向力 由于輕軌前、后輪對于梁的橫向作用力方向相反、大小相等,因此對于具有偶數對車輪的梁,其橫向力相互抵消,合力為零;而對于具有奇數對車輪的梁,其對橫向力的合力為一對車輪的橫向作用力,按作用在行駛面高度處水平作用于與軌道軸線方向垂直的單軸集中荷載考慮,其大小為單軌車輛設計荷載單軸軸重的25%。(3)風荷載無車時風壓Ｗ1=0．845ｋＰａ,有車時風壓Ｗ2=0．8ｋＰａ,Ｗ1=0．676ｋＰａ。根據《鐵路橋涵設計基本規范》(ＴＢ10002．1—99)得到:基本風壓Ｗ0=500Ｐａ、Ｋ1=1．3、Ｋ2=1．3(Ｈ=50ｍ)、Ｋ3=1．0;無車時風壓Ｗ1=Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｗ0=845Ｐａ。(4)溫度混凝土結構隨溫度升降用月平均氣溫為參照來確定,取+20℃,混凝土收縮按降溫15℃考慮,不均勻日照按溫差5℃考慮。(5)制動荷載和啟動荷載制動荷載及啟動荷載是單軌車輛重心位置上作用于軌道方向的力,取單軌車輛設計荷載的15%。(6)地震烈度7度。在設計中根據《鐵路工程抗震設計規范》(ＴＢＪ111—87)按7度取水平地震系數Ｋｈ=0．10。計算地震荷載時活載按定員考慮,軸重Ｐ=90ｋＮ,且不計沖擊。
圖3 設計荷載圖式(單位:ｍｍ)
3 結構設計特點
3．1 荷載組合
(1)使用階段荷載組合
根據《鐵路橋涵設計基本規范》(ＴＢ10002．1—99)以及實際情況,確定以下6種組合。①基本組合 靜荷載+動荷載+沖擊荷載+離心力(或車輛橫向荷載);②組合Ａ 基本組合+溫度;③
組合Ｂ 基本組合+風荷載;④組合Ｃ 基本組合+風荷載+溫度;⑤組合Ｄ 基本組合+風荷載+溫度+縱向力;⑥組合Ｅ 基本組合+地震力。根據對上述組合進行計算的結果,得到最不利組合為⑤組合Ｄ。(2)破壞階段荷載組合①1．3×靜荷載+2．5×(動荷載+沖擊荷載+離心
力+橫向荷載);②1．75×(靜荷載+動荷載+沖擊荷載+離心力+橫向荷載);③1．3×靜荷載+2．5×(動荷載+沖擊荷載+風荷載)。
3．2 主梁設計及預應力鋼筋設置
(1)主梁設計
出段線倒Ｔ形ＰＣ軌道梁梁高2．8ｍ,上部1．85ｍ范圍為適應單軌車輛走行需要,采用與標準ＰＣ軌道梁相同的空心Ｉ字形截面,梁寬0．85ｍ;考慮結構抗扭和抗傾覆需要,下部0．95ｍ梁高范圍內的梁寬由支座處的4．20ｍ變化為跨中的3．00ｍ。為減小結構自重,截面挖空形成單箱多室箱形截面。兩端及中間設橫隔板。主梁主斷面形式見圖1。主梁采用Ｃ60混凝土,彈性模量Ｅｃ=3．75×104ＭＰａ。根據初步計算,由于曲線梁半徑較小,結構體系為簡支梁,因此梁端支座處扭矩很大,梁內側支座出現較大拉力。經反復計算,對梁截面進行了調整,將原梁端下翼緣寬度由3．0ｍ擴大為4．2ｍ,并設置0．6ｍ的偏心。調整后內側支座無負反力。原梁下翼緣底板,由于設置預應力鋼筋導致梁下翼緣底板面積削弱,因此將原設計中底板厚度由20ｃｍ調整為25ｃｍ。(2)縱向預應力筋設置預應力筋采用7?5(公稱直徑15．24ｍｍ)預應力鋼絞線,縱向預應力鋼筋采用每束12?15．24ｍｍ與15?15．24ｍｍ兩種規格的鋼絞線,錨具采用ＹＭ1512和ＹＭ1515,波紋管外徑分別為92ｍｍ和102ｍｍ,千斤頂采用ＹＣＬ420,錨下張拉控制應力為1320ＭＰａ。跨中斷面布置見圖4。
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