津滨轻轨伸缩区与固定区桥墩设计

津滨轻轨伸缩区与固定区桥墩设计差异分析

摘　要:采用无缝线路的轨道交通伸缩区范围内的墩台,将承受较固定区墩台大得多的水平力,具体分析受力差异,并提出伸缩区墩台设计需要注意的问题和解决方案。关键词:无缝线路作用力; 伸缩区; 墩台; 设计
　　 1 　概述
天津市区至滨海新区的快速轨道交通工程,轨道采用60 kg/m 无碴或有碴轨道结构,无缝线路。作用在桥上无缝线路的纵向阻力有伸缩力、挠曲力、断轨力。
伸缩力:因温度变化,桥梁与长钢轨相对位移而产生的纵向力。挠曲力:在列车荷载作用下,桥梁挠曲引起桥梁与长钢轨相对位移而产生的纵向力。断轨力:因长钢轨折断,引起桥梁与长钢轨相对位移而产生的纵向力。为防止钢轨受无缝线路纵向力作用而折断或断缝值超过允许值,根据桥跨布置和道岔布置情况,本工程全线许多地段设有钢轨伸缩调节器。伸缩区在日常温度变化时,梁轨产生很大的相对位移,长钢轨必须完全克服梁轨之间的道床阻力才能自由伸缩,故作用于梁、最后传至墩台顶的伸缩力较固定区大大增加。为考虑景观要求、简化施工,伸缩区的桥墩尺寸要尽可能与固定区接近,这是一个很大的矛盾。
2 　伸缩区桥上无缝线路纵向力组合原则
(1) 同一股钢轨的伸缩力、挠曲力相互独立,不作叠加。
(2) 伸缩力、挠曲力不与同线的竖向活载、离心力、牵引力或制动力组合。
(3) 伸缩力、挠曲力按主力考虑。
(4) 行车的一线不计无缝线路作用力。
(5) 伸缩区制动墩承受的伸缩力,适当考虑本联非制动墩的支座摩阻力影响。
(6) 伸缩力作用下的墩顶位移必须满足规范对墩顶位移的限值。
(7) 伸缩力、挠曲力作用在轨底。当检算墩台时移至墩台支座铰中心、当检算支座时移至支座顶中心,不计移动作用点所产生的竖向力或力矩。
从荷载的角度伸缩区与固定区的最大区别是伸缩区不考虑断轨力,但伸缩力数值大很多。另外,由于伸缩力数值大,非制动墩将与梁产生较大的相对位移,故可以适当考虑非制动墩支座摩阻力承担部分伸缩力。
3 　常用跨度桥墩的伸缩力与断轨力比较
根据有关的分析计算,采用不同的扣件阻力时,伸缩区与固定区常用跨度桥梁墩的长钢轨纵向力结果比较,如表1 所示。

表1 　常用跨度桥梁墩的长钢轨纵向力kN/ 轨

4 　无缝线路伸缩区内墩台设计应注意的问题
无缝线路上的桥梁其墩台所受的伸缩力及断轨力均与梁跨长度、线路纵向阻力成正比;当地最大温度变化值也是决定无缝线路纵向水平力的重要因素。因此,一般伸缩区内不宜布设长联、大跨及太高的墩台, 避免造成设计困难、墩身尺寸太大与梁部不协调、增加工程投资及影响美观。由于相邻联墩台顶纵向水平线刚度差影响纵向水平力的分配,有条件的情况下应尽量限制相邻联墩的刚度差。
墩台刚度即墩台支承垫石顶产生单位纵向水平位移的水平力计算公式 K=H/Σδi Σδi=δp+δφ +δh 式中　H 作用在墩台支承垫石顶的纵向水平力,kN; δp 在H作用下,由于墩台身弯曲引起的墩台支承垫石顶纵向水平位移,cm; δ φ 在H作用下,由于基础倾斜引起的墩台支承垫石顶纵向水平位移,cm; δh 在H作用下,由于基础平移引起的墩台支承垫石顶纵向水平位移,cm。当伸缩区墩台因水平力大而设计困难时,有效办法为减短联长、改变道床扣件形式、减小道床阻力。另外,可以采用每联设置多制动墩,共同承受纵向水平力,有效减小固定墩承受的水平力、减小桥墩尺寸和基础配设。但采用多固定墩时,由于固定支座承受经常性的温度力作用,构造上需改进和加强。
5 　伸缩区与固定区在墩台设计上的差异
伸缩区内桥墩承受较大的伸缩力,双线无车及单线无车分别承受4 根或2 根钢轨的伸缩力。伸缩力又为主力,材料的允许应力没有提高系数即为1. 0 。直线及曲线控制荷载组合形式相同,桥墩墩顶水平位移、混凝土压应力及钢筋拉应力均为无车主力控制。较高的桥墩尺寸由墩顶位移控制,为满足混凝土压应力允许值,较固定区提高了混凝土强度等级,在伸缩力作用下进行墩身裂缝检算。控制工况的荷载组合见表2 。

表2 　直曲线上双线伸缩区控制工况

固定区桥墩,如墩高H=0 ～ 12.0 m 为同样的结构尺寸,由墩高H=12 m 特殊荷载(主力+断轨力)控制下,混凝土及钢筋应力满足要求,确定桥墩结构尺寸。材料的允许应力提高系数为1.4 。墩高小于12 m 的桥墩逐渐减少配筋量,位移计算及裂缝检算均不考虑特殊荷载,故此,固定区桥墩结构尺寸与伸缩区相比, 可以减小很多。双线固定区控制工况见表3 。

表3 　直曲线上双线固定区控制工况

双线多梁跨位于伸缩区时,制动墩承受纵向水平力太大,墩型不能与一般区段桥墩相协调,基础设置困难。经研究后决定采用较小的扣件阻力Q2 ,使桥墩设计得出较为理想的结果。津滨轻轨全线单线墩较少,为了减少桥墩型式,加快施工速度,伸缩区的单线桥墩设计时与固定区单线桥墩拟定为同一结构尺寸,墩身配筋不同。单线墩高H >14 m 位于伸缩区时,由于需要的墩身尺寸大大超过固定区的单线墩,故每联设置双制动墩,共同承受纵向水平力,减小结构尺寸。伸缩区与固定区桥墩结构尺寸见表4 。

表4 　双线伸缩区与固定区桥墩结构尺寸

　　由于墩身尺寸的加大,减小了伸缩区桥墩顶帽悬臂尺寸,用SAP84 程序进行了应力分析。分析结果表明,采用固定区相应顶帽尺寸配置的受拉、压主筋及斜筋均能满足要求。支座选形要注意所能承受的最大水平力。伸缩区配设基础大、承台大,刚性角超出规范,对于刚性承台要求较多。承台配筋及承台加台配筋均需加强,一般由无车主力控制,钢筋应力允许值提高系数为1. 0 。而固定区为主力+ 特殊荷载控制,钢筋应力允许值提高系数为1. 4 ,固定区承台大部分刚性角不超规范,承台配筋多不需加强。
桩基设计时,由于水平主力太大,大跨较高桥墩设计时桩头易出现上拔力或墩顶位移超出,采用了增大桩间距或增加桩根数的办法取得了较为满意的结果。总之,津滨轻轨伸缩区内桥墩结构满足桥上无缝线路铺设要求,受力合理,满足其行车要求,外形尽量与固定区统一,成为都市的一道风景线。伸缩区墩台设计,还应针对其特点,不断总结经验,尤其是无缝线路作用力的计算及对墩台的分配,应成为完整的理论体系。选择合理的轨道结构及采用较小的扣件阻力很重要。还应根据混凝土连续梁的跨度、当地最大温差、桥墩受力情况,合理设置钢轨伸缩调节器,达到安全适
注:曲线上计入离心力。用、技术先进、经济合理的目的。