范連合

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

目前環(huán)境保護已經(jīng)成為一種重要的鐵路橋梁設(shè)計理念。在鐵路橋梁跨越那些對環(huán)境保護有嚴(yán)格要求的既有公路、鐵路及河流和水渠時,需要采取相關(guān)的環(huán)境保護措施,避免鐵路橋梁在跨越時對其造成不良影響。因此考慮在橋梁上設(shè)置類似防護罩類的結(jié)構(gòu)既能起到隔音減噪的作用,又能有效的防止橋上掉落雜物影響橋下的道路(公路和鐵路)及河流和水渠。

1 工程概況

新建邯黃鐵路(邯鄲至黃驊港)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為120 km/h,為單線鐵路,線路與河北省衡水地區(qū)水源地-衛(wèi)千渠立體交叉。為避免衛(wèi)千渠的水質(zhì)在橋梁建成運營后不受到污染,跨越處采用防護式封閉罩對衛(wèi)千渠的水質(zhì)進行保護,同時為了能夠有效的降低防護式封閉罩的建筑高度,減小結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積,跨越處采用(40+64+40)m槽形連續(xù)梁,這樣既能起到環(huán)境保護的作用,又能減小結(jié)構(gòu)在受力上的不利影響。槽形梁的橋面布置如圖1所示。

圖1 槽形梁橋面布置示意(單位：mm)

2 防護式封閉罩的設(shè)計及計算分析

由于在鐵路橋梁上加設(shè)防護式封閉罩尚屬首例,因此在鋼骨架選材上選擇橫向剛度較大的工字型鋼,陽光板選用厚度為8 mm的實心聚碳酸酯陽光板,其材料特性為質(zhì)輕且具有較高強度。由于陽光板透光率高且可選顏色,施工完畢后的橋梁還能起到一定程度上的景觀作用。

2.1 防護式封閉罩的設(shè)計

防護式封閉罩是在H形立柱(Q345qD)形成的鋼骨架上鋪設(shè)8 mm厚度的實心聚碳酸酯陽光板構(gòu)成,H形立柱由寬度為384 mm、厚度為16 mm的腹板及寬度為200 mm、厚度為16 mm的上下翼緣板焊接而成,鋼骨架沿縱橋向每2 m設(shè)置1道共73道,每2道鋼骨架之間采用沿橫橋向3道200 mm×16 mm的等邊角鋼形成的縱梁連接,以增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。縱梁設(shè)置按照沿縱橋向隔段鋼骨架設(shè)立的原則,避免縱梁因鋼骨架與梁體間的不均勻豎向變形的不利影響。陽光板與鋼骨架之間的連接采用M5螺栓栓接的方式連接,每片陽光板沿縱橋向的螺栓孔一側(cè)設(shè)置成固定孔,一側(cè)設(shè)置成可活動孔,避免陽光板參與鋼骨架與梁體之間的受力,加大結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度。陽光板與鋼骨架之間的聯(lián)結(jié)方式如圖2、圖3所示。

圖2 陽光板與鋼骨架連接立面布置(單位：mm)

圖3 陽光板與鋼骨架橫截面連接布置(單位：mm)

2.2 防護式封閉罩有限元模型的建立

按圖2、圖3所示封閉式防護罩設(shè)計圖建立的有限元模型如圖4所示。鋼骨架及縱梁采用梁單元模擬,陽光板采用板單元進行模擬。邊界條件為鋼骨架底端采用固結(jié)方式,同時施加由于梁體變形引起的相鄰鋼骨架的的相對豎向變形。

圖4 封閉式防護罩有限元模型

2.3 作用于封閉式防護罩上的外力

(1)自重：按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)取值,鋼材容重γ=78.5 kN/m3,陽光板容重γ=15 kN/m3。

(2)風(fēng)荷載：按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)第7章辦理。

(3)雪荷載：按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)第6章辦理。

(4)列車氣動力：水平氣動力為q=0.27 kN/m2,垂直氣動力為q=0.21 kN/m2。

(5)接觸網(wǎng)及回流線施加的外荷載如表1所示,荷載作用方向如圖5所示。

(6)溫度荷載：體系升溫按照整體升溫60 ℃考慮；體系降溫按照整體降溫25 ℃考慮。

表1 接觸網(wǎng)及回流線外荷載

圖5 荷載作用方向示意

2.4 計算結(jié)果

(1)在外荷載最不利荷載組合作用下,鋼骨架的最大應(yīng)力為164.8 MPa；最大橫向位移為3.1 mm,豎向位移為5.15 mm。均滿足設(shè)計及使用要求。

(2)鋼骨架作用于槽形梁單側(cè)箱體上的最大反力如表2所示,反力作用方向與圖3所示一致。

表2 作用于槽形梁單側(cè)箱體上的最大反力

(3)由封閉式防護罩引起的橋上二期恒載增加值為35.3 kN/m。

3 槽形梁的設(shè)計及計算分析

槽形梁在加設(shè)封閉式防護罩之后,由于防護罩受列車通行及接觸網(wǎng)高度的控制,防護罩具有較高的結(jié)構(gòu)高度,受風(fēng)壓及雨雪影響較大,橋上二期恒載增加幅度較大。同時封閉罩加設(shè)以后槽形梁內(nèi)側(cè)腹板溫度上升很快,引起較大的內(nèi)側(cè)腹板溫差,對結(jié)構(gòu)受力有很不利的影響。

3.1 槽形梁的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

(40+64+40)m連續(xù)槽形梁結(jié)構(gòu)形式為跨中梁高3.5 m,邊支點處梁高4.3 m,中支點處梁高5.6 m,梁頂由支點向跨中按圓曲線變化,曲線半徑為260.65 m。 槽形梁橫橋向尺寸擬定參照《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)第9.1.1條相關(guān)規(guī)定,總寬度為10.8 m,內(nèi)側(cè)凈寬6.9 m。擋砟墻高度0.70 m,底寬0.25 m,頂寬0.2 m?？v梁腹板寬度0.3～0.4 m,按折線變化；頂板厚度0.47 m,道床板厚度為0.45 m,支點處設(shè)置橫梁,高1.25 m,邊支點處寬度1.1 m,中支點處寬度1.5 m。全橋在支點處隔墻設(shè)置1 m高進人孔,共計8處。全橋共分4個梁段,跨中A1號梁段長度34.0 m,中支點處A2梁段長度25.0 m,中跨A3合龍段長度2.5 m,邊跨A4號梁段長度28.05 m。梁體重點部位橫截面布置如圖6所示。

圖6 槽形梁中支點及跨中和梁端橫截面布置(單位：cm)

3.2 槽形梁縱向受力分析

本文應(yīng)用西南交通大學(xué)編制的BSAS程序及通用有限元軟件MIDAS分別建立模型進行計算和校核工作,模型對各個施工階段的梁體受力進行了模擬,如實的反映出實際施工時的各種狀態(tài)。2種模型計算的結(jié)果吻合度很高。圖7、圖8分別為MIDAS和BSAS建立的有限元模型。

圖7 MIDAS建立的槽形梁有限元模型

圖8 BSAS建立的槽形梁1/2有限元模型

3.2.1 槽形連續(xù)梁的主要設(shè)計參數(shù)

(1)恒載

①結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重：按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)取值,梁體混凝土容重γ=25 kN/m3。

②二期恒載包括橋上設(shè)施及封閉式防護屏等重量。二期恒載取值：按109.9 kN/m計算。

③混凝土收縮、徐變影響按規(guī)范進行計算。

④基礎(chǔ)沉降按相鄰墩臺沉降差，按15 mm考慮。

(2)活載

①計算采用“中-活載”。

②列車活載動力系數(shù)為1.09。

③橫向搖擺力根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.3.8條規(guī)定辦理。

④人行道及欄桿荷載根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.5.1條規(guī)定辦理。

⑤曲線列車豎向靜活載產(chǎn)生的離心力根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.3.6條規(guī)定辦理。

(3)附加力

①風(fēng)力：按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TBl0002.1—2005)第4.4.1條計算。

②溫度荷載：施工合龍溫度按照5～15 ℃考慮,梁體按均勻升溫20 ℃、降溫20 ℃計算,非線性溫度變化按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TBl0002.3—2005)計算。

(4)特殊荷載

①列車脫軌荷載：根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.3.11條規(guī)定辦理。

②地震力：按《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111—2006)規(guī)定計算。

(5)荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合,取最不利組合進行設(shè)計,并對特殊荷載進行檢算。

3.2.2 計算結(jié)果

(1)結(jié)構(gòu)變形

梁體在靜活載作用下的豎向位移及梁端轉(zhuǎn)角計算結(jié)果如表3所示。

表3 梁體結(jié)構(gòu)變形

(2)梁體安全性指標(biāo)計算結(jié)果

梁體在施工階段及運營階段下安全性指標(biāo)如表4所示。

表4 梁體計算安全性指標(biāo)

從表3、表4計算結(jié)果可以看出,槽形梁在加設(shè)防護式封閉罩之后,梁體的變形及各項安全性指標(biāo)均滿足設(shè)計及使用要求。

3.3 槽形梁橫向受力分析

槽形梁由于受日照溫差、寒潮等溫度影響及梁上橫向布置的荷載影響,除進行縱向計算之外,還需進行梁體的橫向計算。本文在槽形梁中跨跨中截取2 m直段采用MIDAS進行橫向分析計算,模型如圖9所示。模型中建立了橫向預(yù)應(yīng)力鋼束,建立了混凝土材料的依存特性,用于分析預(yù)應(yīng)力鋼束及混凝土的收縮徐變對梁體橫向受力的影響。

圖9 槽形梁橫向分析有限元模型

3.3.1 槽形梁橫向計算設(shè)計參數(shù)

槽形梁橫向計算荷載主要考慮以下幾種：

(1)梁自重及二期恒載、混凝土收縮和徐變、預(yù)應(yīng)力；

(2)來自封閉式防護罩引起的外力；

(3)活載：采用中活載的標(biāo)準(zhǔn)活載；

(4)溫度荷載：日照偏曬按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—2005)附錄B計算得出,槽形梁兩側(cè)箱形頂板溫差為15.3 ℃,腹板溫差為13.3 ℃；寒潮情況下頂板、底板及腹板均為-10 ℃的溫差。

圖10 槽形連續(xù)梁橫向分析外加荷載示意

3.3.2 槽形梁橫向計算結(jié)果分析

截取的梁段在各種荷載作用下,內(nèi)力計算結(jié)果如表5所示,根據(jù)表5計算結(jié)果對梁體的橫向配筋進行計算,計算結(jié)果如表6所示。

表5 梁體橫截面分析內(nèi)力計算

表6 最不利荷載組合下梁體橫向配筋計算結(jié)果

從表4、表5可以看出槽形梁在主力+附加力的作用下,鋼筋的配筋完全滿足設(shè)計要求。

4 槽形梁施工

槽形連續(xù)梁采用支架現(xiàn)澆法施工。槽形梁在基礎(chǔ)及橋墩施工完成后,在其基礎(chǔ)及兩側(cè)邊跨和中跨的跨中設(shè)置臨時墩,再在臨時墩上搭設(shè)腳手架或者搭設(shè)貝雷梁。槽形梁在施工時先澆筑中間主墩上的兩段混凝土及中跨跨中節(jié)段的混凝土,待混凝土強度達到設(shè)計強度的90%以上時張拉預(yù)應(yīng)力鋼束,然后跨中段混凝土合龍施工,最后澆筑邊跨混凝土進行合龍并張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。施工步驟示意如圖11所示。

圖11 槽形梁施工布置示意

5 結(jié)論

(1)封閉式防護罩選用的建筑材料聚碳酸酯陽光板具有質(zhì)輕、強度高的特點,陽光板與鋼骨架之間的連接穩(wěn)定、可靠。結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性滿足設(shè)計及使用要求。

(2)在加設(shè)防護式封閉罩之后,通過調(diào)整槽形連續(xù)梁的預(yù)應(yīng)力及普通鋼筋的布置,結(jié)構(gòu)的安全性指標(biāo)滿足設(shè)計及使用要求。

(3)由于封閉式防護罩和槽形連續(xù)梁形成了一種全封閉結(jié)構(gòu),能夠保證橋梁在運營后保護衛(wèi)千渠的水質(zhì)不受污染。對于有環(huán)保要求的立體交叉的橋梁設(shè)計上具有一定的推廣價值。

(4)由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)槽形梁屬于下承式橋梁的一種,其結(jié)構(gòu)特點是主梁腹板作為主要受力構(gòu)件,在工程實際應(yīng)用中具有跨越能力大、降低結(jié)構(gòu)高度的優(yōu)勢,同時由于其本身結(jié)構(gòu)具有半封閉特性,可以兼做隔音墻及防止車輛傾覆。因此在對有結(jié)構(gòu)高度及跨度要求的工點可推廣使用。

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