高樁碼頭連接段伸縮縫布置位置的探討

高樁碼頭連接段伸縮縫布置位置的探討

在高站碼頭之前，通常安排一條鐵路，鐵路通過鐵路運送貨物。為了列車運營的安全,要求鐵路線不能產(chǎn)生過大的變形。由于高樁碼頭的上部結(jié)構(gòu)受到氣溫變化的影響,會產(chǎn)生熱脹冷縮,為了使高樁碼頭的上部結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過大的溫度應力而破損,所以一般將高樁碼頭的上部結(jié)構(gòu)分成若干結(jié)構(gòu)段,結(jié)構(gòu)段與結(jié)構(gòu)段之間留有伸縮縫,使相鄰結(jié)構(gòu)段之間可以產(chǎn)生相對變位,用來釋放溫度應力。由于結(jié)構(gòu)段之間的相對變位會引起布置在高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)的鐵路鋼軌發(fā)生變形,給列車的運營帶來事故的隱患,為此對高樁碼頭伸縮縫與鐵路鋼軌變形間的關(guān)系進行探討。1伸縮縫位置的影響天津港21～22段碼頭連接段設(shè)計時留了一條伸縮縫,位置在圖1的A-A處。當氣溫變化時,21段碼頭受到22段碼頭的約束不能自由伸縮,從而在21段碼頭與22段碼頭的連接部位B-B處產(chǎn)生溫度應力,設(shè)溫度應力的合力為N,它作用在22段碼頭的前承臺上。由于22段碼頭前承臺的A-A部位設(shè)計了一條伸縮縫,而只有鋼軌相連接,因此伸縮縫A-A處的抗剪度很小,在溫度力N的作用下伸縮縫A-A處的鋼軌會產(chǎn)生扭曲變形。從而可知22段碼頭A-A部位的鐵路鋼軌會隨一年四季氣溫變化而發(fā)生周而復始的扭曲變形。天津港22段及21段碼頭分別建于1980年及1981年,由于A-A部位鋼軌發(fā)生扭曲變形使22段碼頭建成至今一直沒有通過火車,現(xiàn)在22段碼頭靠汽車來集散貨物,影響碼頭的利用率。由以上例子可知,當相鄰兩碼頭岸線成α角時(α≠0°或180°),碼頭連接段伸縮縫布置的位置同前承臺鐵路的鋼軌變形有密切的關(guān)系,如果伸縮縫布置的位置不合理,會使碼頭前承臺布置的鐵路鋼軌發(fā)生扭曲變形而無法通火車。如果將圖1的伸縮縫布置在21段碼頭的B-B位置,當氣溫升高或降低時,21段碼頭可以自由伸縮,B-B就是給21段碼頭自由伸縮的預留伸縮縫,釋放溫度應力,因此22段碼頭前承臺不受21段碼頭溫度應力的影響,則22段碼頭的鐵路鋼軌不會因氣溫變化而產(chǎn)生扭曲變形。天津港21段與22段碼頭連接部位的伸縮縫設(shè)計得不合理,使碼頭建成20多年來無法通火車,可見碼頭上火車的運營狀態(tài)同伸縮縫布置的位置密切相關(guān)。如果設(shè)計時將伸縮縫布置在B-B位置,就不會產(chǎn)生22段碼頭鋼軌變形的現(xiàn)象,22段碼頭通火車也不成問題,因此以后對碼頭岸線不在一個方向的相鄰兩碼頭連接部位伸縮縫布置應慎重。綜上所述,相鄰碼頭間伸縮縫對于相鄰碼頭的岸線在同一方向,伸縮縫布置方向與火車鋼軌的方向相垂直,氣溫變化時,鋼軌不產(chǎn)生扭曲變形,只產(chǎn)生上拱現(xiàn)象。當相鄰碼頭的岸線成某一角度α(α≠0°或180°)時,相鄰碼頭連接部位的伸縮縫方向應與鋼軌的方向相平行。2．港區(qū)周邊高樁港區(qū)間的伸縮縫封死在碼頭建設(shè)中,由于設(shè)計的原因該布置伸縮縫的部位沒有布置伸縮縫,由于施工的原因,該留伸縮縫的部位沒有留伸縮縫,從而產(chǎn)生過大溫度應力而使碼頭結(jié)構(gòu)發(fā)生破損的事例也時有發(fā)生。如天津港1961年建的14～15段高樁碼頭,由于碼頭結(jié)構(gòu)之間的伸縮縫已封死、使該碼頭與相鄰的13段及16段碼頭相連接的甲區(qū)、乙區(qū)和戊區(qū)有不少樁、樁帽和管溝梁出現(xiàn)較嚴重的破損,經(jīng)調(diào)查資料分析得知,碼頭結(jié)構(gòu)段間伸縮縫封死而失去釋放溫度應力的功能有直接關(guān)系,因此決定在13段與連接段甲區(qū)之間、連接段乙區(qū)與14段丙區(qū)之間、15段丙3區(qū)與戊區(qū)之間補開三條伸縮縫,這三條伸縮縫均有火車鋼軌或門機軌通過。下以13段碼頭與14段碼頭甲區(qū)間補開伸縮縫為例,說明補開伸縮縫對鐵路鋼軌變形的影響。2.1相對于伸展縫兩側(cè)碼頭的測量(1)測量點的配置伸縮縫兩側(cè)碼頭相對變位的測點布置如圖2所示。(2)第i次測量的伸縮縫寬度和相對變位的計算如圖2所示,在伸縮縫兩側(cè)則分別埋設(shè)A、B、C三個測點,由此三點構(gòu)成△ABC。AD為BC邊上的高,設(shè)AD=x、DB=y、BC=a、AC=b、AB=c,其關(guān)系如圖3所示。根據(jù)勾股定理得:x2+y2=c2x2+(a-y)2=b2}(1)解方程(1)得:x=√c2-(a2+c2-b22a)2y=a2+c2-b22a}(2)(a)伸縮縫寬度變化的測量及計算將A、B、C測點理好后先進行第1次測量,測得三個測點間距離分別為a1、b1、c1(測量三個測點間的距離用量程為500mm的游標卡尺,計算A、B、C三點間距離時要注意將游標卡尺的測量值減去測點的直徑)及測量時測點位置的溫度t1,作為計算伸縮縫兩側(cè)碼頭相對變位的基數(shù)。設(shè)第i次測量的三個測點間距離分別為ai、bi、ci及測量時溫度ti,則第i次測量時刻相對于第1次測量時刻的伸縮縫寬度的相對變化量△xi為:△xi=xi-x1(3)(b)伸縮縫兩側(cè)碼頭相對錯動的測量及計算由測量得ai、bi、ci值計算得的yi中有兩部分組成,其中一部分溫度變化使A、B兩個測點沿伸縮縫方向產(chǎn)生的相對變位yit,另一部分是伸縮縫兩側(cè)碼頭產(chǎn)生相對錯動而產(chǎn)生的相對變位yis。由于測點A、B、C布置在較小的范圍,所以可以認為此三測點的溫度是相等的。另外測點B、C點布置在伸縮縫的同一側(cè),所以此兩測點間不會產(chǎn)生相對錯動,只有溫度變化引起此兩測點間距離的變化,考慮到B、C測點的溫度相等,yit可由下式求得:yit=y1(ai-a1)a1(4)從而可得伸縮縫兩側(cè)碼頭相對錯動的變位△yi為:△yi=(yi-yit)-y1=yis-y1(5)綜上所述,可以根據(jù)i時刻測得的ai、bi、ci值,由式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可以計算出伸縮縫寬度的變化△xi及伸縮縫兩側(cè)碼頭間的相對錯動△yi。(c)伸縮縫兩側(cè)碼頭高差的測量及計算測出A、B、C三測點的相對標高分別為ha、hb、hc,B、C是同一碼頭的相鄰兩個測點,所以取B、C兩測點的相對標高平均值代表該碼頭的相對標高,即:hbc=hb+hc2(6)從而得第i次測量的伸縮縫兩側(cè)碼頭的高差△h為:△hi′=hai-hbci(7)式中:△hi′為第i次測量的伸縮縫兩側(cè)碼頭的高差;hai為第i次測量A測點的相對標高;hbci為第i次測量B、C測點相對標高的平均值。則伸縮縫兩側(cè)碼頭高差的相對變化△hi為:△hi=△hi′-△h1(8)式(8)中:△h1為第1次測量時伸縮縫兩側(cè)碼頭的高差。2.2第i次測量時鋼板平整度的變化測量鋼軌變形分平整度及扭曲兩種變形,它們的測量原理分別為:(1)測點布置伸縮縫附近鋼軌變形測點布置如圖4所示。(2)伸縮縫附近鋼軌變形的測量原理(a)鋼軌平整度變化的測量及計算在進行鋼軌平整度變化的測量時,先要選擇測量的基準點,用DS800自動安平精密水準儀和5m鋁合金塔尺測取軌頂測點的相對高程。第1次測得軌頂測點的相對高程為△h1j(j=1,2,…10為測點序號),將它作為鋼軌平整度變化的基準。在進行第i次測量時(i=1,2,…為測量次數(shù)),可得軌頂測點的相對高程為△hij,則每個測點鋼軌平整度的變化量△hij為:hij=hij-h1j(i=1,2,……,j=1,2,……10,)(9)(b)鋼軌扭曲變形的測量在進行鋼軌扭曲變形測量時,先在鋼軌旁兩個預埋點之間拉上細鐵絲,并用張緊器拉緊,用游標卡尺測軌頂測點位置的軌側(cè)與細鐵絲間的距離S。第1次測量值為S1i(j=1,2,…10),它作為鋼軌扭曲變形的基準。測量完畢后,將細鐵絲放松取下,等下一次測量時再將它布置在預埋點之間,并用張緊器將它拉緊則可測得第i次軌頂測點位置的軌側(cè)與細鐵絲間的距離Sij(i=1,2,…,j=1,2,…10).鋼軌扭曲變形與測量值之間的關(guān)系如圖5所示。圖5中△S0為測量基線的平移量,△Sij′為第i次測量時j測點基線轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的附加變形量,l0為測點1～測點10之間的距離,li為測點1～測點i之間的距離。由圖5可知:△Sij′從而可得第i次測量時測點j的相對變位△Sij為:△Sij=Sij+△Sij′+△S0-S1j=Sij+(Si1-Si10)?lil0+△S0-S1j考慮到碼頭向海測或陸側(cè)平移不產(chǎn)生鋼軌的扭曲變形,所以將所有測點的相對變位中均減去△S0,從而鋼軌扭曲變形可用下式來表示:△Sij=Sij+(Si1-Si10)?lil0-S1j(i=1,2,??j=1,2,?10)(11)3通過測量和分析收縮縫兩側(cè)碼頭的相對變位，結(jié)果表明和分析3.1結(jié)果表明，收縮縫兩側(cè)碼頭的相對變位以及鋼變形的測量結(jié)果(1)測量次數(shù)和測量結(jié)果天津港13段碼頭前承臺與14段碼頭甲區(qū)(無梁板區(qū))間補開了一條伸縮縫,自1999年4月15日～2000年4月14日經(jīng)過歷時一年的測量,每月測量1次,共進行了13次測量,測量結(jié)果如圖6所示。為了分析伸縮縫兩則碼頭相對變形的幅值,以1999年4月15日測量值為基準,在13次測量中挑選氣溫最高和最低的1999年9月及2000年1月測量值進行分析,它們的測量結(jié)果如表1所示。(2)比較基準測量值由圖2可知,通過天津港13段碼頭前承臺與14段碼頭甲區(qū)間伸縮縫的鋼軌有3對,在對鋼軌進行為期一年的變形測量期間,以1999年4月15日的測量值為比較基準,1999年9月8日與2000年1月19日分別為最高氣溫與最低氣溫的測量值,這三次測量值即可知道鋼軌變形的幅值,所以將1999年9月與2000年1月的測量值與1999年4月鋼軌基準狀態(tài)時的相對變位值列于表2。3.2伸縮縫寬度及斷裂設(shè)計根據(jù)圖6顯示的規(guī)律及表1、表2的有關(guān)數(shù)據(jù)的分析,補開伸縮縫兩側(cè)碼頭的相對變位及鋼軌變形有如下規(guī)律:(1)由圖6(d)知,第6測次前的氣溫均比最初測量的比較基準數(shù)據(jù)時溫度高,由圖6(a)知,由于碼頭上部結(jié)構(gòu)的膨脹而使伸縮縫變窄,所以伸縮縫寬度變化值為負值。在第7測次以后的氣溫均比最初測量的比較基準數(shù)據(jù)時溫度低,因此與比較基準數(shù)據(jù)比,碼頭上部結(jié)構(gòu)收縮而使伸縮縫變寬,所以伸縮縫寬度變化值為正值。伸縮縫寬度的變化規(guī)律與一般物體熱脹冷縮的物理現(xiàn)象相吻合。(2)根據(jù)表1實測數(shù)據(jù)及式(2)、式(3)的計算得,在為期一年的測量周期中由三組測點的測量結(jié)果得知,伸縮縫寬度變化的幅值分別為18.61mm、19.16mm及17.78mm,三組伸縮縫寬度變化都很接近,且均在20.00mm以內(nèi)。有關(guān)規(guī)范指出高樁碼頭伸縮縫的設(shè)計寬度為20～30mm,因為實際施工中構(gòu)件制作尺寸及施工安裝尺寸會有一定偏差,另外,由表1知,預留伸縮縫與測量(或施工)時的基準溫度有關(guān),如首次在低溫時測量(或施工),則其它任何時刻的溫度均比首次測量(或施工)時的溫度高,因此任何時刻測得的伸縮縫寬度均比首次測量(或施工)時的小,當達到一年中最高溫度時可能會發(fā)生預留伸縮縫被擠死的現(xiàn)象。因此設(shè)計伸縮縫寬度還需要考慮施工的影響,所以設(shè)計伸縮縫寬度需3.0cm偏小。(3)碼頭在長期使用過程中由于變形的不協(xié)調(diào)會積聚一定內(nèi)力,所以在對高樁碼頭補開伸縮縫時這部分內(nèi)力會通過伸縮縫慢慢地釋放,從而使伸縮縫兩側(cè)碼頭產(chǎn)生相對錯動,帶動伸縮縫附近鋼軌的變形,(其實伸縮縫兩側(cè)碼頭在補開伸縮縫剛結(jié)束時相對錯動最大,本文的測量數(shù)據(jù)中沒有包括這部分的錯動)。根據(jù)測量數(shù)據(jù),由式(2)計算得的y值中實際上包含了溫度變化使y值的變化量及伸縮縫兩側(cè)碼頭的相對錯動兩部分的和,可是以往有關(guān)資料中將y值直接作為伸縮縫兩側(cè)碼頭的相對錯動值、,這種處理在物理概念上是不正確的,會使伸縮縫兩側(cè)碼頭相對錯動的數(shù)值偏大。根據(jù)式(2)、式(4)及式(5)進行計算,由實測數(shù)據(jù)推算得三組測點伸縮縫兩側(cè)碼頭的相對錯動的幅值分別為20.81mm、20.89mm及21.06mm,它們雖處在伸縮縫兩側(cè)碼頭的不同位置,但測量數(shù)據(jù)計算得的碼頭錯動值基本相等,測量結(jié)果與實際變形相附。由于碼頭間的相對錯動,會對碼頭上布設(shè)的鋼軌在伸縮縫附近產(chǎn)生扭曲變形的不良影響。(4)由各測點相對標高的測量值,根據(jù)式(6)、式(7)及式(8)的計算得表1知,補開伸縮縫后其兩側(cè)碼頭的相對高差變化量一般不大(但也有達到18.5mm的這可能測量數(shù)據(jù)有誤)。由于伸縮縫兩側(cè)碼頭的高差,不大對碼頭上布置的鋼軌在伸縮縫附近平整度的影響不大。(5)測量鋼軌扭曲變形的鋼軌長度為420cm,根據(jù)表2三組測點的水平變位的幅值分別為10.2mm、10.3mm、13.58mm,由于實際進行鋼軌扭曲變形測量時,是在鋼軌測點旁邊預埋測點測量預埋測點與鋼軌測點軌緣之間的距離變化,孰不知鋼軌布設(shè)在碼頭面上,預埋測點與鋼軌隨伸縮縫兩側(cè)碼頭發(fā)生海側(cè)和陸側(cè)的位移。中不包含它們間的手動,因此測得的鋼軌扭曲變形值偏小。根據(jù)伸縮縫兩側(cè)碼頭變形計算得相對錯動的幅值為20mm左右。也可知鋼軌扭曲變形的測量數(shù)據(jù)偏小,所以鋼軌水平變位的幅值應取20mm。由表2知鋼軌產(chǎn)生最大水平變位的位置在測點5～6之間,此位置正是伸縮縫的位置,從而可知鋼軌在伸縮縫處產(chǎn)生水平的相對變位最大,它與伸縮縫兩側(cè)碼頭產(chǎn)生相互錯動的結(jié)論相符合,從而得出結(jié)論,鋼軌的扭曲變形是補開伸縮縫后使兩側(cè)碼頭產(chǎn)生相對錯動所引起的。為了減小伸縮縫處鋼軌的水平變位的突變,建議伸縮縫附近的鋼軌鋪設(shè)時要進行特殊處理,即伸縮縫附近鋼軌可以容許其產(chǎn)生小量的水平位移,而只限制它不產(chǎn)生垂直位移,這樣可將伸縮縫兩側(cè)碼頭相對錯動產(chǎn)生的鋼軌變形分散到伸縮縫附近的鋼軌上,使伸縮縫處的鋼軌不產(chǎn)生集中的剪切變形而影響火車通行。(6)根據(jù)表1數(shù)據(jù)知,伸縮縫兩側(cè)碼頭的最大相對高差為18.5mm。根據(jù)表2知,在鋼軌平整度測定時最大相對高差只有4mm,相差甚遠。分析其原因除測量誤差外,主要可能是鋼軌有一定剛度,會使部分鋼軌與火車梁的連接松動而使鋼軌不隨碼頭下沉而同步下沉,所以軌頂?shù)母卟钚∮诖a頭的高差。綜上所述,火車軌的變形與碼頭伸縮縫布置的位置及伸縮縫處兩側(cè)碼頭的相對變形有密切的關(guān)系,因此要使火車軌的變形控制在允許范圍內(nèi),必須對伸縮縫布置的位置及伸縮縫處碼頭結(jié)構(gòu)進行特殊處理。4