津滨轻轨1 -50 m 简支钢混结合梁设计
摘 要:介绍津滨轻轨1 50 m 简支钢混结合梁的设计特点,针对其关键问题进行研究和探讨。关键词:轻轨; 钢混结合梁; 设计1 概述轨的高程, 达到降低造价的目的, 决定采用1 50 m 简支钢混结合梁, 并采用顶推施工或吊车整体吊装施工。津滨轻轨跨越京山铁路位置处, 轻轨线路位于R = 600 m 的圆曲线上, 线间距3. 81 m , 线路纵坡为2 结构型式及材质选择 19. 5 ‰,-15 ‰, 竖曲线半径R= 8 000 m 。京山双线铁该桥位于曲线上,采用直线钢梁。为增强结构的路线间距4. 0 m , 轨面高程4. 00 m , 直线。轻轨与京山铁抗扭性能,钢梁采用双箱单室敞口钢箱梁。钢梁施工路夹角28. 5°, 要求净高7. 60 m 。为在施工期间尽可能就位后,钢梁与钢筋混凝土桥面板形成闭合双箱单室减少对铁路正常运营的影响和安全, 同时尽量降低轻结构型式。
01 钢梁分3 段制造,中间一段长30 m ,两端各长10 收稿日期:2003 06 作者简介:孙宗磊(1974 —),男,助理工程师,1998 年毕业于西南交通m。节段运至桥位后采用高强度螺栓连接。钢箱梁采大学土木工程学院桥梁与结构工程专业。用U 形断面,钢梁高2. 9 m , 主梁腹板厚16 mm , 上翼缘面进行台身检算,以确定前墙底部尺寸。两侧墙顶部宽度为0. 4 m , 坡率与前墙相同,从而确定侧墙底部尺寸。
(1) 设计思路
沿线地层简单,第四系地层广泛发育,地层分布从上到下依次为人工堆积层、新近沉积层、上部陆相层、第一海象层、中上部陆相层,上部及中上部地层广泛沉积有十几米厚的软土。根据沿线的地层特点,对桩基础类型及桩径的选择进行了分析比较。根据经济分析,一般高架桥基础采用直径0. 8 m 钻孔灌注桩最为经济,较大直径的钻孔桩造价较高。对于较大跨度桥梁的基础必要时也需采用直径1. 0 m 及以上的钻孔灌注桩,桩端持力层置于较硬的砂粘土或砂土层上。
(2) 钻孔桩、打入桩技术比较
钻孔桩与打入桩比较,打入桩施工时难度较大,工后沉降量也较大,不易控制。另外,由于沿线大多距居民住宅较近,打入桩施工扰民问题突出,难以满足环保要求。因此,不宜采用打入桩。经计算及经济比较, 除个别段高墩外, 余均采用8 根<0. 8 m 钻孔灌注摩擦桩, 桩长宜控制在35 ～ 45 m 。若是桩根数较少, 桩长较长, 施工起来较困难, 因地质条件较差, 地面下约有十几米的软土层;若是桩根数较多, 桩长较短, 必定造成浪费。
5 结语
城市轨道交通工程不同于一般的铁路,它在车辆制式、设计荷载、净空要求、环境要求等方面都有新的特点。如何合理地确定有关技术标准,对保证工程质量、降低工程造价都有十分重要的意义。对于下部结构设计,还应针对城市轨道交通的特点,不断总结经验,尤其是无缝线路作用力的计算以及对墩台的分配问题等的经验,使之完善,从而使该技术标准化。板厚26 mm , 两端下翼缘梁段厚30 mm , 中间梁段下翼缘厚50 mm 。箱梁腹板中心距1 400 mm , 双箱内侧腹板中心距2 200 mm 。其结构型式如图1 所示。
图1 结合梁横断面(横梁及横隔板未示) ( 单位:mm)
全桥每隔5 m 左右设置横梁、横隔板,每隔1. 75 m 左右设置竖向加劲肋,竖向加劲肋为单个,位于腹板内侧。腹板设置一个水平加劲肋,下底板设置2 个纵向加劲肋,纵向加劲肋全桥长连续。为对钢梁进行检修,除端横隔板外,其余横隔板均设置1. 2 m ×0. 5 m 检查孔。梁端附近外侧腹板开孔以进入箱梁内部。设计中对钢梁材质16Mnq 和14MnNbq 按相同梁高分别进行了比选。14MnNbq 钢材可以做到板厚50 mm , 而且板厚引起的承载力折减效应不明显,同时其韧性指标和焊接性能均比较好。根据计算结果,跨中需要用50 mm 的厚板, 根据比选采用了14MnNbq 钢材。桥面板采用C50 钢筋混凝土。3 桥梁设计荷载及相关规定
(1) 恒载
一期恒载包括钢梁自重,模板,钢筋混凝土桥面板重,该荷载由钢梁承担。二期恒载按70 kN/m 计算,由钢梁与钢筋混凝土桥面板形成的组合截面承担。
(2) 活载按6 节车辆编组设计,重车轴重为140 kN , 空车轴重为75 kN 。该桥位于曲线,钢梁直做,线形由桥面板调整。钢梁布置采用平分中矢法。由于偏载引起的活载效应按杠杆原理进行分配。
(3) 动力系数 22.4 1 +μ =1 + 40 +L 式中,L为梁跨的有效跨度,m。
(4) 温度力
按钢梁与钢筋混凝土桥面板温度差±15 ℃ 考虑。
(5) 混凝土收缩徐变影响
混凝土收缩按现浇混凝土降温15 ℃,并考虑混凝土徐变影响。
(6) 剪力传剪器
采用<22 柔性栓钉,承载力及疲劳剪力幅分别采用50 kN 和25 kN 。
4 钢混结合梁的设计与研究
4. 1 总体思路
该桥按顶推拖拉施工方法进行设计。分两个施工阶段,第一施工阶段钢梁拖拉就位,以钢梁为模架进行钢筋混凝土桥面板浇筑,此时一期恒载由钢梁承担;第二施工阶段桥面设备施工,二期恒载及活载由钢梁与钢筋混凝土桥面板形成的组合截面承担。由于该桥位于曲线上,在设计中同时考虑组合梁扭矩效应和畸变效应。
4. 2 换算截面的合理计算方法
4. 2. 1 混凝土板有效宽度计算(图2)
混凝土板的有效宽度按以下各项中之最小值。
(1)主梁间的板宽W
① 两主梁中心距之半;② 主梁跨度的1/6 ;③ 如板有梗胁时,取b/2 +c+6 h。
(2)主梁外侧的悬臂板宽W1
① 主梁中心至板的悬臂端之间的距离;② 主梁跨度的1/12 ;③ 如板有梗胁时,取b/2 +c+6 h。
图2 混凝土板有效宽度示意
4. 2. 2 结合梁截面特性计算第二阶段,计算结合梁截面特性,分不同工况,将混凝土截面换算成钢截面。钢与混凝土的弹性模量比值n按表1 采用。
表1 钢与混凝土弹性模量比值
计算分2 种方法进行,相互校核。一种是保持混凝土板的高度不变,混凝土板的有效宽度除以钢与混凝土的弹性模量比值n, 换算成钢截面;另一种方法是采用面积换算。在设计中,因换算截面中心轴相差2 cm , 截面惯性矩也相差微小,可以说2 种方法基本一致。因此,在该桥设计中,无论采用哪种方法都是可行,符合假定。最后,在设计中采用面积换算求相关截面特性。混凝土板、钢梁及结合梁关系见图3 。具体计算公式如下 Fz= Fg+ Fh/n αh=α × Fg/ Fz αg=α × Fh/ Fz Iz = Ig+ Ih/n+ Fz ×αh ×αg 式中 Fh,Fg,Fz 混凝土板、钢梁、结合梁的横截面面积,m2 。αh 结合梁换算截面重心与混凝土板重心的距离,m。αg 结合梁换算截面重心与钢梁重心的距离,m。α 混凝土板与钢梁重心间的距离,m。Ih,Ig,Iz 混凝土板、钢梁、结合梁对各自中性轴的截面惯性矩,m4 。
图3 重心位置关系
4. 3 混凝土的收缩、徐变《铁路结合梁设计规定》(TBJ 24 90) 中,没有明确徐变计算方法,仅仅是通过计算混凝土收缩,采用弹性模量法计算。弹性模量比值n的取用,考虑了徐变。该桥设计采用《铁路结合梁设计规定》(TBJ 24 90) 中推荐的公式。因为该桥又是简支钢混结合梁,不存在预加力问题,混凝土徐变引起的内力重调整影响不是特别大。因此,采用考虑了徐变的弹性模量比的计算方法对本桥是可行的。
4. 4 抗剪栓钉的设计研究
结合梁的使用性能取决于剪应力的有效传递。试验表明,单靠自然粘接不足以保证在大荷载时界面处有足够的共同作用。因此,使用剪力传剪器是完全有必要的。
传剪器除了传递剪力,同时还必须把混凝土板锚固在钢梁上。由于扭转和作用在钢梁上的向下荷载在界面处引起混凝土板和钢梁的垂直分离,产生了板的上拔作用,虽然在通常的计算中没必要计算向上的力, 但在设计传剪器时还是具有特殊的形状,以足够阻止连接部位构件的抬起和滑移。
在结合梁的设计中,桥面板承受的活载是可以移动的,所以桥面板承受的车辆荷载是变化的。这样桥面板承受的表面剪力和传剪器的受力都有变化。在这种情况下,疲劳破坏成为设计的准则,因而传剪器设计必须满足疲劳要求。本桥采用栓钉型传剪器,其形状见图4 。
图4 传剪器图式
根据国内外有关规范和芜湖长江大桥有关科研项目的研究实验成果,本桥栓钉传剪器设计按以下原则进行。(1)柔性传剪器采用<22 的栓钉,其技术条件应符合《圆柱式焊钉》(GB10433) 的规定。
(2) 栓钉在C50 混凝土中的剪切承载力容许值
[Q]为50 kN ,200 万次疲劳的剪力幅值ΔQ =25 kN 。
4. 5 稳定计算
钢混结合梁的稳定在第二阶段由于混凝土板与钢梁形成整体截面,因此稳定一般不会存在问题。在第一施工阶段,由于钢梁为敞口截面,稳定性很差,因此第一施工阶段的稳定问题非常重要。本桥使用空间有限元程序进行了空间分析,通过设置合理间隔的横梁、横隔板和加劲肋,能够很好地防止结构局部屈曲,满足施工及运营阶段结构的稳定要求。
5 结语
本桥的设计关键在于换算截面的合理计算、混凝土收缩徐变对结构内力的影响、混凝土板与钢梁的可靠联结、施工阶段的稳定等方面。
本桥跨度比较大,而且位于曲线上,半径小,同时桥上坡度变化大,给设计造成很大困难;但是经过认真研究,精心设计,在借鉴其他同类桥型成功经验的基础上,问题得到了很好的解决,为解决此类跨越建筑物, 提供了成功经验。此类桥型如果能够在解决噪声等问题上再进一步优化设计,将会更有发展前途。
参考文献:
[ 1 ] TBJ24 90. 铁路结合梁设计规定[ S]
[ 2 ] 项海帆. 高等桥梁结构理论[ M] . 北京:人民交通出版社,2001
