津滨轻轨预应力混凝土连续刚构桥设计研究
摘 要:介绍津滨轻轨一期工程中2 座预应力混凝土连续刚构桥的设计、薄壁墩优化与刚构桥合龙措施的研究,结合桥式方案的选择,说明轻轨铁路桥梁的设计特点。关键词:津滨轻轨; 预应力混凝土连续刚构桥; 薄壁墩; 无缝线路; 设计1 概述
天津市区至滨海新区快速轨道交通一期工程全长45. 409 km , 在DK36 + 630. 7 二跨津塘公路,设42 m + 62 m + 62 m + 42 m 4 跨预应力混凝土连续刚构桥; 在DK43 + 190. 6 跨新港四号路,设36 m + 56. 8 m + 56. 8 m + 36 m 4 跨预应力混凝土连续刚构桥。这2 处桥位城市轨道交通的活载对大跨度桥梁而言,约相当于公路汽车超20 级活载标准的1. 5 倍,由于轨道交通车辆荷载轴重不大,使得连续刚构的设计较为灵活。关键是主墩的柔度要合理,在保证主墩承载能力的同时,柔度越大,上部结构越接近连续梁,墩臂的内力越小,对基础的影响也越小。对于桥墩的优化比选,后面详细介绍。图1 为二跨津塘公路桥的总体布置图。线路情况复杂,且在桥上不能设置无缝线路的温度调节器, 反复研究后,决定采用4 跨预应力混凝土连续刚构桥方案。本文主要针对2 跨津塘公路桥进行介绍。
图1 二跨津塘公路桥的布置(单位:cm)
2 桥梁结构形式选择2. 1 桥式方案选择二跨津塘公路桥与既有道路斜交24. 5°,夹角小,桥位范围内地下管线较多。采用预应力混凝土连续刚构方案,可以降低梁部支点的负弯矩以及跨中的正弯矩;施工过程中,无须设临时支墩,有利于悬浇施工;抗震性能好,可免除设置专用大吨位抗震支座以及防震落梁装置。尤其在桥位线路范围内,没有条件设置轨道温度调节器。如采用连续梁体系,必须设置强劲的制动墩来克服长钢轨作用力,造成平面布置困难,而且影响景观效果。采用4 跨预应力混凝土连续刚构桥,由于制动力和桥上的长钢轨作用力可由3 个主墩共同承担,则很好地解决了这个问题。
2. 2 连续刚构的结构型式
图1 二跨津塘公路桥的布置(单位:cm) 上部结构采用预应力混凝土变高度梁,单箱单室截面,由于主跨为中等跨度,仅在纵向施加预应力。本桥地基条件较差, 又是无碴轨道线路, 为了很好地控制沉降, 需采用深基础。考虑现有设备和经济因素, 选择<1. 0 m 钻孔灌注桩, 持力层选择在f k = 280 kPa 细砂层。
3 设计概要
3. 1 基本设计条件
(1) 线路类别 轻轨。
(2) 正线数目 双线。
(3) 设计最高行车速度 100 km/ h 。
(4) 轨道 无缝线路, 正线轨道采用60 kg/m 钢轨;轨距1 435 mm , 上建高度52 cm 。
(5) 桥面系 无碴无枕,承轨台采用钢筋混凝土支承块。
根据结构力学原理,通过等效刚度换算,把群桩基础换算成2 根面内等效桩柱,柱底固接,从而建立考虑桩土抗力的弹性约束的计算模型,见图4 。
近来铁道部组织对桩基础桥墩纵向刚度进行很多研究测试,结果显示,实测的刚度值一般大于理论计算值,但不大于2 倍。经过计算分析研究,从安全 并适用的角度出发,在实际采用的计算模型中, 等效桩柱的理论计算刚度取群桩基础换算刚度的2 倍。 在具体计算过程中,进行了2 排桩、3 排桩、
图2 单线重车车辆荷载(单位:m)
(9) 无缝线路作用力 根据不同的孔跨布置作用不同的无缝线路作用力,本项目按表1 进行长钢轨作用力的荷载组合计算。 断轨力只考虑单股钢轨断裂的情况。曲线桥上,应计算温度力和伸缩力(或挠曲力) 作用于墩台和支座上的横向分力,且这种分力按主力检算。表1 长钢轨作用力kN/ 轨孔跨布置为(37 + 56. 4 + 55. 9 + 37)m 的长钢轨作用力
(10) 风力 风压强度W = K1 ×K2 ×K3 ×W0 = 1.3 ×1.0 ×1.0 ×0.49 = 0.6 kPa 。
(11) 温度力 体系温差按温升20 ℃ 、温降15 ℃ 计,日照温差按桥面板均匀升温10 ℃ 计。桥跨结构设计合龙温度为6～11 ℃ 。
(12) 地震力 设计烈度采用Ⅶ 度。
3. 2 主要材料
(1) 混凝土 主梁C50 , 主墩C50 , 边墩C40 , 承台C30 , 桩基C20 。
(2) 钢筋 Ⅱ 级,HRB335 。
(3) 预应力钢材 低松弛高强度预应力钢绞线, <15.24 mm ,fpk = 1 860 MPa 。
4 结构设计要点
4. 1 计算模型
正多边形的梅花桩布置,适当增加中主墩基础的整体纵向刚度,有利于在全桥承受纵向水平力的时候,中主墩能够多分担全桥的纵向水平力和弯矩,适当均衡3 个主墩的内力分配,提高全桥的整体承载能力。
4. 2 薄壁墩设计优化
(1) 墩壁柔度的确定
为了选择梁与墩之间合理的刚度比,分别对双壁墩、单壁墩与双壁墩组合、单壁墩形式、以及单壁墩不同壁厚进行了系列计算分析。在同样壁厚的情况下, 墩的横向宽度变化对墩的纵向刚度影响较小,计算分析中对2 种墩宽3. 0 、3. 4 m 进行了比较,采用墩宽3. 4 m 与箱梁梁底同宽,构造简洁,横向刚度大,整体效果比墩宽3. 0 m 好。表2 列出了在同样墩宽情况下,刚构桥主墩不同壁厚的应力控制情况。通过计算分析,双壁墩与单壁墩相比较,并没有明显优势,而且构造过于复杂,施工难度大。单壁墩在墩宽一定的情况下,经过综合计算比较,壁厚采用1. 2 m 。
(2) 梁体预应力钢束布置对墩壁受力的影响
通过大量计算分析,发现边跨与中跨的顶、底板纵向预应力钢束对薄壁墩的内力分配都有影响。边跨与中跨底板配束是由跨中强度控制的,并可在一定范围内调整优化。通过对梁部纵向预应力钢束调整优化, 可均衡薄壁墩的内力分布。在两个中跨合龙段采取同时施顶措施来调整结构表2 主墩墩壁计算比较内力。边跨成型后结构由双悬臂梁转化为单悬臂梁。
适当减少边跨的底板束和中跨的顶板束效果较好,增加边跨顶板束的意义不大。优化设计后,边、中跨顶板束都可减到2 束77 <5 。这样,可以在保证对箱梁施加足够的纵向预应力的基础上,将薄壁墩所受弯矩减少,使受力趋于均匀。
(3)墩壁构造措施
针对墩梁固结点处应力比较集中的情况,设计时, 在沿桥轴线方向的墩壁与箱梁底平面之间采用半径20 cm 的圆弧抹角进行过渡,既不影响整体的柔度又缓解了局部过大的应力;在墩梁固结附近的墩壁混凝土面层设置间距50 mm ×50 mm 的<5 钢丝网片,主墩墩身采用聚丙烯网状纤维加强,以控制裂缝的开展,并在墩、承台接合部施加SRA 型混凝土防腐加强剂等,用于防止混凝土局部损伤。
4. 3 体系转换与内力调整及合龙措施研究
(1) 体系转换与内力调整
采用悬浇法或分段现浇法施工的预应力连续刚构在施工过程中需进行体系转换。T 构合龙,体系转换完成之后,由于混凝土收缩、徐变的影响,薄壁墩内弯矩很大,使薄壁墩配筋困难; 并且,使得运营阶段桩基础在最不利荷载作用下承台底正弯矩比承台底负弯矩大50 % 以上,钻孔桩中跨方单桩最大轴力远大于边跨方单桩最大轴力,桩基承载力没有得到充分利用。为了消除混凝土收缩、徐变对结构产生的不利影稳定性大大提高,可在其上施加顶力,由此确定4 跨连续刚构桥的施工顺序为先边跨后中跨。
中跨合龙段所施加的顶力对主梁结构内力影响甚小,对薄壁墩的内力影响很大。顶力使薄壁墩产生的弯矩和剪力均与混凝土收缩、徐变产生的薄壁墩次内力方向相反,对结构的受力有利。对于二跨津塘公路桥,中跨合龙段施加2 600 kN 顶力后,薄壁墩墩底恒载弯矩可减少约42 % , 承台底弯矩也相应减小,单桩最大轴力也可降低。同时,设计中,考虑了将边主墩基础在纵向偏中心桥墩方向各设置10 cm 预偏心,进一步减少承台底最大正弯矩与最小负弯矩的差值,使桩基设计更加合理。
(2) 合龙措施研究收缩、徐变对结构产生的不利影响在合龙时可采取2 项措施加以调整:施加顶力和降低中跨合龙段温度。为了使合龙段的施工更具有可操作性,合龙锁定温度应给出一定的变化范围。在结构设计允许的情况下,应尽量提供较大的合龙锁定温度变化范围,以方便施工。本桥合龙温度锁定范围确定为6～11° C , 由此确定了年温度变化温降为-15°温升为20° C、C , 温降荷载低于温升荷载5° C , 对结构受力有利。当实际合龙温度不在设计预期的锁定温度范围时,应根据实际合龙时的温度及混凝土收缩、徐变对结构的影响来调整施加顶力的大小。
5 结语
大跨度多跨连续刚构桥应用于城市轨道交通中, 由于桥梁高度低,设计难度大。设计中充分考虑了这种结构形式的受力特点,并对关键技术进行了充分的研究。两桥于2002 年7 月完成施工图设计,预计2003 年10 月建成通车。这种结构形式在津滨轻轨工程中的成功应用,可为其他轨道交通项目类似工程的应用提供经验参考。
原作者：杨春立
