津濱輕軌預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計研究
摘 要:介紹津濱輕軌一期工程中2 座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計、薄壁墩優(yōu)化與剛構(gòu)橋合龍措施的研究,結(jié)合橋式方案的選擇,說明輕軌鐵路橋梁的設(shè)計特點。關(guān)鍵詞:津濱輕軌; 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋; 薄壁墩; 無縫線路; 設(shè)計1 概述
天津市區(qū)至濱海新區(qū)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(shè)42 m + 62 m + 62 m + 42 m 4 跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋; 在DK43 + 190. 6 跨新港四號路,設(shè)36 m + 56. 8 m + 56. 8 m + 36 m 4 跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)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(dāng)于公路汽車超20 級活載標(biāo)準(zhǔn)的1. 5 倍,由于軌道交通車輛荷載軸重不大,使得連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計較為靈活。關(guān)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(jié)構(gòu)越接近連續(xù)梁,墩臂的內(nèi)力越小,對基礎(chǔ)的影響也越小。對于橋墩的優(yōu)化比選,后面詳細(xì)介紹。圖1 為二跨津塘公路橋的總體布置圖。線路情況復(fù)雜,且在橋上不能設(shè)置無縫線路的溫度調(diào)節(jié)器, 反復(fù)研究后,決定采用4 跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋方案。本文主要針對2 跨津塘公路橋進(jìn)行介紹。
圖1 二跨津塘公路橋的布置(單位:cm)
2 橋梁結(jié)構(gòu)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(nèi)地下管線較多。采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案,可以降低梁部支點的負(fù)彎矩以及跨中的正彎矩;施工過程中,無須設(shè)臨時支墩,有利于懸澆施工;抗震性能好,可免除設(shè)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(nèi),沒有條件設(shè)置軌道溫度調(diào)節(jié)器。如采用連續(xù)梁體系,必須設(shè)置強(qiáng)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)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(dān),則很好地解決了這個問題。
2. 2 連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式
圖1 二跨津塘公路橋的布置(單位:cm) 上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(chǔ)。考慮現(xiàn)有設(shè)備和經(jīng)濟(jì)因素, 選擇<1. 0 m 鉆孔灌注樁, 持力層選擇在f k = 280 kPa 細(xì)砂層。
3 設(shè)計概要
3. 1 基本設(shè)計條件
(1) 線路類別 輕軌。
(2) 正線數(shù)目 雙線。
(3) 設(shè)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(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理,通過等效剛度換算,把群樁基礎(chǔ)換算成2 根面內(nèi)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(chǔ)橋墩縱向剛度進(jìn)行很多研究測試,結(jié)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(jīng)過計算分析研究,從安全 并適用的角度出發(fā),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(chǔ)換算剛度的2 倍。 在具體計算過程中,進(jìn)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(jù)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(jìn)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(yīng)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(fēng)力 風(fēng)壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計合龍溫度為6～11 ℃ 。
(12) 地震力 設(shè)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(yù)應(yīng)力鋼材 低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線, <15.24 mm ,fpk = 1 860 MPa 。
4 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
4. 1 計算模型
正多邊形的梅花樁布置,適當(dāng)增加中主墩基礎(chǔ)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(dān)全橋的縱向水平力和彎矩,適當(dāng)均衡3 個主墩的內(nèi)力分配,提高全橋的整體承載能力。
4. 2 薄壁墩設(shè)計優(yōu)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(jìn)行了系列計算分析。在同樣壁厚的情況下, 墩的橫向?qū)挾茸兓瘜Χ盏目v向剛度影響較小,計算分析中對2 種墩寬3. 0 、3. 4 m 進(jìn)行了比較,采用墩寬3. 4 m 與箱梁梁底同寬,構(gòu)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(gòu)橋主墩不同壁厚的應(yīng)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(yōu)勢,而且構(gòu)造過于復(fù)雜,施工難度大。單壁墩在墩寬一定的情況下,經(jīng)過綜合計算比較,壁厚采用1. 2 m 。
(2) 梁體預(yù)應(yīng)力鋼束布置對墩壁受力的影響
通過大量計算分析,發(fā)現(xiàn)邊跨與中跨的頂、底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束對薄壁墩的內(nèi)力分配都有影響。邊跨與中跨底板配束是由跨中強(qiáng)度控制的,并可在一定范圍內(nèi)調(diào)整優(yōu)化。通過對梁部縱向預(yù)應(yīng)力鋼束調(diào)整優(yōu)化, 可均衡薄壁墩的內(nèi)力分布。在兩個中跨合龍段采取同時施頂措施來調(diào)整結(jié)構(gòu)表2 主墩墩壁計算比較內(nèi)力。邊跨成型后結(jié)構(gòu)由雙懸臂梁轉(zhuǎn)化為單懸臂梁。
適當(dāng)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(yōu)化設(shè)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(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)上,將薄壁墩所受彎矩減少,使受力趨于均勻。
(3)墩壁構(gòu)造措施
針對墩梁固結(jié)點處應(yīng)力比較集中的情況,設(shè)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(jìn)行過渡,既不影響整體的柔度又緩解了局部過大的應(yīng)力;在墩梁固結(jié)附近的墩壁混凝土面層設(shè)置間距50 mm ×50 mm 的<5 鋼絲網(wǎng)片,主墩墩身采用聚丙烯網(wǎng)狀纖維加強(qiáng),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(qiáng)劑等,用于防止混凝土局部損傷。
4. 3 體系轉(zhuǎn)換與內(nèi)力調(diào)整及合龍措施研究
(1) 體系轉(zhuǎn)換與內(nèi)力調(diào)整
采用懸澆法或分段現(xiàn)澆法施工的預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)在施工過程中需進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換。T 構(gòu)合龍,體系轉(zhuǎn)換完成之后,由于混凝土收縮、徐變的影響,薄壁墩內(nèi)彎矩很大,使薄壁墩配筋困難; 并且,使得運營階段樁基礎(chǔ)在最不利荷載作用下承臺底正彎矩比承臺底負(fù)彎矩大50 % 以上,鉆孔樁中跨方單樁最大軸力遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影穩(wěn)定性大大提高,可在其上施加頂力,由此確定4 跨連續(xù)剛構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力影響甚小,對薄壁墩的內(nèi)力影響很大。頂力使薄壁墩產(chǎn)生的彎矩和剪力均與混凝土收縮、徐變產(chǎn)生的薄壁墩次內(nèi)力方向相反,對結(jié)構(gòu)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(yīng)減小,單樁最大軸力也可降低。同時,設(shè)計中,考慮了將邊主墩基礎(chǔ)在縱向偏中心橋墩方向各設(shè)置10 cm 預(yù)偏心,進(jìn)一步減少承臺底最大正彎矩與最小負(fù)彎矩的差值,使樁基設(shè)計更加合理。
(2) 合龍措施研究收縮、徐變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響在合龍時可采取2 項措施加以調(diào)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(yīng)給出一定的變化范圍。在結(jié)構(gòu)設(shè)計允許的情況下,應(yīng)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(jié)構(gòu)受力有利。當(dāng)實際合龍溫度不在設(shè)計預(yù)期的鎖定溫度范圍時,應(yīng)根據(jù)實際合龍時的溫度及混凝土收縮、徐變對結(jié)構(gòu)的影響來調(diào)整施加頂力的大小。
5 結(jié)語
大跨度多跨連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)用于城市軌道交通中, 由于橋梁高度低,設(shè)計難度大。設(shè)計中充分考慮了這種結(jié)構(gòu)形式的受力特點,并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了充分的研究。兩橋于2002 年7 月完成施工圖設(shè)計,預(yù)計2003 年10 月建成通車。這種結(jié)構(gòu)形式在津濱輕軌工程中的成功應(yīng)用,可為其他軌道交通項目類似工程的應(yīng)用提供經(jīng)驗參考。
原作者：楊春立
