重慶輕軌較新線倒T形PC軌道梁設(shè)計(jì)研究

1、重慶輕軌較新線倒T形PC軌道梁設(shè)計(jì)研究.摘要:曲線橋是立交橋和高架橋的一種重要的構(gòu)造形式,在交通運(yùn)輸中起著重要作用。主要研究重慶輕軌倒t形曲線p軌道梁橋的構(gòu)造特點(diǎn),并對其受力特性進(jìn)展分析研究。關(guān)鍵詞:高架橋;倒t形;p軌道梁;重慶輕軌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14.35k。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(tǒng),其軌道梁既是車輛的承重構(gòu)造,又是車輛運(yùn)行的軌道,因此設(shè)計(jì)時(shí)除必須確保軌道梁的強(qiáng)度、剛度外,還必須確保軌道梁的線形精度。倒t形p軌道梁是跨座式單

2、軌交通系統(tǒng)軌道梁中具有突出特點(diǎn)的一種新型構(gòu)造形式,具有跨越才能強(qiáng)、剛度大、噪聲低、防腐性好、耐久性高的優(yōu)點(diǎn),為城市單軌交通跨越既有城市構(gòu)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(wǎng)匯流牌需要,倒t形p軌道梁的上部尺寸必須滿足85150的斷面尺寸及相應(yīng)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),構(gòu)造高度也受到限制。因此,跨座式單軌交通系統(tǒng)倒t形p軌道梁的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)全新的、具有較高設(shè)計(jì)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,

3、因此入段線采用跨度為33.608和29.8的2跨倒t形p簡支軌道梁;出段線采用跨度為40的3跨倒t形p簡支軌道梁。由于跨座式單軌交通在我國施行尚屬首次,跨座式單軌交通系統(tǒng)倒t形p軌道梁為國內(nèi)首創(chuàng),目前在國內(nèi)外均無設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),更沒有“倒t形p軌道梁的設(shè)計(jì)資料和相關(guān)范例。因此,跨座式單軌交通系統(tǒng)倒t形p軌道梁的設(shè)計(jì)研究是一項(xiàng)艱巨的創(chuàng)新工作。目前,根據(jù)日本和馬來西亞的經(jīng)歷,跨座式單軌交通系統(tǒng)p簡支軌道梁的跨度都不超過22,更大的跨度采用鋼構(gòu)造或連續(xù)梁構(gòu)造。鋼構(gòu)造軌道梁一般是板梁,構(gòu)造比擬復(fù)雜,特別在小半徑的平面曲線上其構(gòu)造更加復(fù)雜且構(gòu)件的加工、組拼施工都特別困難;馬來西亞曾采用跨度為40左右的直線連續(xù)

4、p軌道梁構(gòu)造,截面為變高度形式,其梁高從跨中的1.5左右過渡到支點(diǎn)附近的3左右?？紤]到在小半徑的平面曲線上設(shè)置變高度的連續(xù)p軌道梁的設(shè)計(jì)和施工難度都很大,因此未采用上述方案。根據(jù)曲線梁扭矩較大的特點(diǎn),首先比擬“山字形槽形梁和倒t形梁,經(jīng)分析計(jì)算,槽形梁預(yù)應(yīng)力配置較多、混凝土體積較大,施工中模板制作、預(yù)應(yīng)力張拉不便;其次比擬簡支和連續(xù)梁方案,連續(xù)梁通長束長約120,張拉后預(yù)應(yīng)力施加的效果不好。故本設(shè)計(jì)采用了“倒t形p簡支軌道梁方案(圖1),并在大跨間的墩頂預(yù)留張拉空間,梁部施工完成后澆楔形混凝土。設(shè)計(jì)段內(nèi)的線路縱坡為3.343%與平坡,其銜接的豎曲線半徑r=1000,平曲線半徑為r=100(不設(shè)

5、緩和曲線)。本文重點(diǎn)以出段線3跨跨度為40的簡支梁(圖2)為例,簡要介紹入段線簡支梁計(jì)算和倒t形p軌道梁設(shè)計(jì)。其中第1跨(b1段)位于直線與圓曲線上,其直線局部跨長16.283,曲線局部跨長23.717;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,其曲線局部跨長38.854,直線局部跨長1.146。3跨均為后張全預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁。由于是跨座式軌道梁,因此設(shè)計(jì)除滿足承載力要求外,還要求在制造過程中滿足線路設(shè)計(jì)要求的流暢的軌道線型。2重慶輕軌曲線梁橋特點(diǎn)2.1簡支曲線梁橋的主要力學(xué)特性(1)豎向荷載下的受力特點(diǎn)同直線梁橋一樣,曲線梁橋在豎向荷載作用下,梁截面內(nèi)產(chǎn)生彎矩和剪力

6、,但由于曲線梁橋本身的幾何特性,導(dǎo)致梁發(fā)生改變而在截面內(nèi)產(chǎn)生扭矩。扭矩的大小與曲線梁橋的曲線半徑有親密的關(guān)系,對于一樣的豎向荷載,曲線半徑越小,截面內(nèi)的扭矩越大;反之,扭矩越校(2)曲線梁的彎扭耦合作用根據(jù)彎梁的空間平衡條件、彎梁的幾何方程以及變形協(xié)調(diào)方程,可以得到描繪位移、轉(zhuǎn)角與外荷載關(guān)系的彎梁根本微分方程(符拉索方程),其表達(dá)式為由上述方程可以看出,彎梁平面內(nèi)的荷載、內(nèi)力和變形與垂直于彎梁平面的荷載內(nèi)力變形互不影響;而式(1)和式(2)分別反映了豎向位移、改變角與外荷載的關(guān)系,兩個方程不互相獨(dú)立,即彎梁中彎矩與扭矩具有互相影響的特性,這就是曲線梁的彎扭耦合作用。(3)翹曲和畸變效應(yīng)對于薄壁

7、構(gòu)造的曲線梁橋,當(dāng)梁受扭時(shí),假設(shè)梁截面受到約束,縱向纖維在縱向不能自由伸縮,將會產(chǎn)生約束改變,截面上除改變剪應(yīng)力外還有翹曲正應(yīng)力?；兪墙孛媸芘ず螽a(chǎn)生的變形,這時(shí)截面不再是原來的形狀,畸變產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和畸變剪應(yīng)力。對于薄壁構(gòu)造,由約束改變產(chǎn)生的翹曲正應(yīng)力和由畸變產(chǎn)生的翹曲正應(yīng)力及畸變剪應(yīng)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(nèi)力的影響可以忽略不計(jì),因此計(jì)算時(shí)可不考慮翹曲和畸變產(chǎn)生的影響。2.2設(shè)計(jì)荷載(圖3)(1)恒載構(gòu)造容重按26kn/3計(jì)算自重;二期恒載包括各種管線重量,按2.25kn/考慮。(2)活載入段線及基地內(nèi)試車線單軌車輛的設(shè)計(jì)荷載按

8、滿員時(shí)(軸重110kn)考慮,基地內(nèi)其余庫線單軌車輛的設(shè)計(jì)荷載按定員時(shí)(軸重90kn)考慮,疲勞檢算按定員活載計(jì)算。沖擊系數(shù)=20/(50+l),l為計(jì)算跨徑。離心力當(dāng)曲線梁半徑小于250時(shí),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(shù)計(jì)算,離心力系數(shù)=v2/127r,v為計(jì)算行車速度,取v=25k/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(shù)對車輪的梁,其橫向力互相抵消,合力為零;而對于具有奇數(shù)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程度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

9、設(shè)計(jì)荷載單軸軸重的25%。(3)風(fēng)荷載無車時(shí)風(fēng)壓1=0.845kpa,有車時(shí)風(fēng)壓2=0.8kpa,1=0.676kpa。根據(jù)?鐵路橋涵設(shè)計(jì)根本標(biāo)準(zhǔn)?(tb10002.199)得到:根本風(fēng)壓0=500pa、k1=1.3、k2=1.3(h=50)、k3=1.0;無車時(shí)風(fēng)壓1=k1k2k30=845pa。(4)溫度混凝土構(gòu)造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(shè)計(jì)荷載的15%。(6)地震烈度7度。在設(shè)計(jì)中根據(jù)?鐵路工程抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(tbj11187

10、)按7度取程度地震系數(shù)kh=0.10。計(jì)算地震荷載時(shí)活載按定員考慮,軸重p=90kn,且不計(jì)沖擊。3構(gòu)造設(shè)計(jì)特點(diǎn)3.1荷載組合(1)使用階段荷載組合根據(jù)?鐵路橋涵設(shè)計(jì)根本標(biāo)準(zhǔn)?(tb10002.199)以及實(shí)際情況,確定以下6種組合。根本組合靜荷載+動荷載+沖擊荷載+離心力(或車輛橫向荷載);組合a根本組合+溫度;組合b根本組合+風(fēng)荷載;組合根本組合+風(fēng)荷載+溫度;組合d根本組合+風(fēng)荷載+溫度+縱向力;組合e根本組合+地震力。根據(jù)對上述組合進(jìn)展計(jì)算的結(jié)果,得到最不利組合為組合d。(2)破壞階段荷載組合1.3靜荷載+2.5(動荷載+沖擊荷載+離心力+橫向荷載);1.75(靜荷載+動荷載+沖擊荷載

11、+離心力+橫向荷載);1.3靜荷載+2.5(動荷載+沖擊荷載+風(fēng)荷載)。3.2主梁設(shè)計(jì)及預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)置(1)主梁設(shè)計(jì)出段線倒t形p軌道梁梁高2.8,上部1.85范圍為適應(yīng)單軌車輛走行需要,采用與標(biāo)準(zhǔn)p軌道梁一樣的空心i字形截面,梁寬0.85;考慮構(gòu)造抗扭和抗傾覆需要,下部0.95梁高范圍內(nèi)的梁寬由支座處的4.20變化為跨中的3.00。為減小構(gòu)造自重,截面挖空形成單箱多室箱形截面。兩端及中間設(shè)橫隔板。主梁主斷面形式見圖1。主梁采用60混凝土,彈性模量e=3.75104pa。根據(jù)初步計(jì)算,由于曲線梁半徑較小,構(gòu)造體系為簡支梁,因此梁端支座處扭矩很大,梁內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)較大拉力。經(jīng)反復(fù)計(jì)算,對梁截面進(jìn)展

12、了調(diào)整,將原梁端下翼緣寬度由3.0擴(kuò)大為4.2,并設(shè)置0.6的偏心。調(diào)整后內(nèi)側(cè)支座無負(fù)反力。原梁下翼緣底板,由于設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋導(dǎo)致梁下翼緣底板面積削弱,因此將原設(shè)計(jì)中底板厚度由20調(diào)整為25。(2)縱向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋采用75(公稱直徑15.24)預(yù)應(yīng)力鋼絞線,縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用每束1215.24與1515.24兩種規(guī)格的鋼絞線,錨具采用y1512和y1515,波紋管外徑分別為92和102,千斤頂采用yl420,錨下張拉控制應(yīng)力為1320pa?？缰袛嗝娌贾靡妶D4。(3)橫向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置由于支座處梁截面加寬,外側(cè)支座反力較大,造成梁端翼緣與腹板相交處產(chǎn)生很大的彎矩,因此需要在橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋

13、。根據(jù)彎矩大小,經(jīng)計(jì)算確定預(yù)應(yīng)力體系采用8束12根15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨下張拉控制應(yīng)力1395pa,布置為上、下2排,各4束,布置方式如圖5所示。橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋每束由12根1524鋼絞線組成,錨具采用y1512和yp1512,波紋管外徑為92。(4)支座設(shè)置每片梁在橋墩處設(shè)置雙支座。支座采用盆式橡膠支座,在梁的一端限制縱向位移,另一端為自由。4計(jì)算分析4.1計(jì)算方式內(nèi)力分析、曲線梁截面驗(yàn)算以及預(yù)應(yīng)力筋伸長量采用西南交通大學(xué)橋梁系開發(fā)的曲線梁橋分析程序asbfrinds4.20。計(jì)算采用空間分析理論進(jìn)展內(nèi)力分析,考慮了梁的彎曲、改變及二者的耦合,以及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和混凝土收縮徐變對構(gòu)造變形的影響

14、。4.2曲線梁分析結(jié)果(表1,表2)根據(jù)空間分析,施工階段截面最小壓應(yīng)力為0.3pa,最大壓應(yīng)力為9.24pa;運(yùn)營階段截面最小壓應(yīng)力為0.52pa,最大壓應(yīng)力為11.95pa。正截面強(qiáng)度最小平安系數(shù)(承載才能/內(nèi)力絕對值)=2.442.0,滿足強(qiáng)度要求。恒載作用下梁體跨中最大豎向位移為0.7(向上),活載作用下跨中最大豎向位移為1.5(向下),小于l/600,最大改變角為1.7910-3rad,滿足剛度要求。根據(jù)空間分析結(jié)果,施工階段和運(yùn)營階段rdx-1號梁截面最大壓應(yīng)力分別為8.81、8.71pa;rdx-號梁截面最大壓應(yīng)力分別為7.28、5.75pa。運(yùn)營階段rdx-1號梁截面最小壓應(yīng)力

15、為0.31pa;rdx-號梁截面最小壓應(yīng)力為0.51pa。正截面rdx-1號梁最小強(qiáng)度平安系數(shù)(承載才能/內(nèi)力絕對值)=2.632.0;rdx-2號梁最小強(qiáng)度平安系數(shù)(承載才能/內(nèi)力絕對值)=3.42.0滿足強(qiáng)度要求。恒載作用下rdx-1號梁梁體跨中最大豎向位移為0.95(向上),rdx-2號梁梁體跨中最大豎向位移為0.79(向上);活載作用下rdx-1號梁跨中最大豎向位移為1.05(向下),rdx-2號梁跨中最大豎向位移為0.70(向下),均小于l/600,最大改變角為1.510-4rad,滿足剛度要求。5施工方法5.1現(xiàn)場測量及調(diào)整現(xiàn)場進(jìn)展橋墩測量及支承墊石中心位置測量是為了保證倒t形p軌

16、道梁和橋墩及支承中心尺寸的一致性,不使p梁制造誤差和橋墩施工誤差形成累積誤差。根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果,考慮梁長、曲線線形、混凝土徐變影響等因素對設(shè)計(jì)線形進(jìn)展修正,確定梁體初始形狀。5.2設(shè)備(1)安裝支座、內(nèi)模、端模、鋼筋、預(yù)埋件所需的設(shè)備和作業(yè)空間。(2)模具設(shè)備應(yīng)具備可操作性、足夠的剛度,嚴(yán)格的尺寸精度。(3)走行面修整設(shè)備。(4)養(yǎng)護(hù)和防腐設(shè)備。(5)預(yù)應(yīng)力張拉、錨固設(shè)備。(6)施工支架及操作平臺。5.3施工順序施工準(zhǔn)備支座安裝定位綁扎鋼筋、安裝內(nèi)模管道定位、安裝預(yù)埋件(不包括at/td環(huán)線梁端引出用防護(hù)管)安裝端模,穿p鋼絞線調(diào)整側(cè)模澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)拆模、檢測張拉預(yù)應(yīng)力鋼束管道壓漿、安裝at/

17、td環(huán)線梁端引出用防護(hù)管、封錨施工墩頂現(xiàn)澆段。在澆筑梁體混凝土?xí)r,為at/td環(huán)線梁端引出用防護(hù)管設(shè)置凹槽,待預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完畢后,埋入at/td環(huán)線梁端引出用防護(hù)管,澆筑梁端封端混凝土,完成梁體施工。5.4施工技術(shù)重難點(diǎn)(1)由于本設(shè)計(jì)梁體是跨座式單軌交通系統(tǒng)首次采用,施工難度大,正式梁段施工前進(jìn)展了試驗(yàn)段的施工和檢驗(yàn)工作。各方及時(shí)總結(jié)試驗(yàn)段成果的經(jīng)歷和教訓(xùn),保證了正式梁段一次澆筑成功,為全線架梁爭取了珍貴的時(shí)間。(2)倒t形p軌道梁端塊包括指形板座支座錨固螺栓、錨墊板、鋼筋、波紋管大量構(gòu)件,嚴(yán)格控制振搗工藝確保其灌筑質(zhì)量。采用可靠的無損檢測手段,經(jīng)監(jiān)理工程師同意,并報(bào)業(yè)主批準(zhǔn)后,進(jìn)展無損檢

18、測。(3)軌道梁軌面與線道路形一致,底面與軌面平行(即保持等梁高),梁端截面垂直于梁軸線,模板根據(jù)梁體線形進(jìn)展檢測和調(diào)整,并按施工控制要求設(shè)置預(yù)拱度。(4)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束按照左右對稱、上下平衡的張拉順序原那么,對曲線梁片嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求設(shè)置防崩鋼筋。(5)施工期間與相關(guān)單位協(xié)商對長江二橋北引道的行車平安予以保證,在支架下部設(shè)置平安網(wǎng),防止橋面雜物落下;對長江二橋北引道通行的車輛,設(shè)臨時(shí)限高標(biāo)志,并有專人看守,防止超高車輛撞擊支架,發(fā)惹事故。(6)墩頂現(xiàn)澆段在橋墩頂帽預(yù)埋鋼筋,待兩端梁部張拉和就位后再行施工。6結(jié)論重慶輕軌出、入段線高架橋由于其特殊性,采用了小半徑簡支主梁的構(gòu)造形式(半徑為100)。對主梁在梁端處進(jìn)展加寬處理后,經(jīng)構(gòu)造的空間計(jì)算分析,支座未出現(xiàn)支座脫空,構(gòu)造強(qiáng)度滿足要求,其方案是可行的。但由于曲線半徑較小,主梁在支座處扭矩較大,因此增加了抗扭箍筋用量;另外梁端處加寬主梁,對梁的橫向受力產(chǎn)生不良影響,導(dǎo)致梁端應(yīng)力分布不均勻,從而造成主梁在梁端處構(gòu)造復(fù)雜,給施工造成一定困難。由于本設(shè)計(jì)梁體是跨座式單軌交通系統(tǒng)首次采用,且跨度大、半徑小,為保證日后運(yùn)營平安,施工時(shí)于梁體主要截面(跨中、1/4跨、1/8跨、梁端截面)的梁頂、梁底及梗脅位置預(yù)埋應(yīng)力、應(yīng)變等檢