張欣欣 陳懷智

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，200070，上海∥第一作者，工程師）

城市軌道交通高架橋梁在跨越地面道路且軌道交通線路與地面道路交角較小時，下部結(jié)構(gòu)采用門式墩的連續(xù)梁是一種較經(jīng)濟的工程方案。受道路凈空和車站等控制點標高影響，城市軌道交通高架橋通常采用隱蓋梁門式墩連續(xù)梁的形式，將門式墩的蓋梁和連續(xù)梁的橫梁合二為一，可大大減小結(jié)構(gòu)高度。所以，在城市軌道交通高架橋中，隱蓋梁門式墩連續(xù)梁成為一種常見的結(jié)構(gòu)形式。本文通過相應(yīng)的工程實例，總結(jié)該結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵點。

1 工程實例概況

該項目為某跨越60m路寬地面道路的城市軌道交通高架橋，經(jīng)過方案比選，采用4×30m＋3×30m兩聯(lián)門式墩連續(xù)梁方案，橋墩均設(shè)在分隔帶中。圖1為門式墩方案平面布置圖。本文以其中的4×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計為例，研究城市軌道交通斜交隱蓋梁門式墩曲線連續(xù)梁設(shè)計的關(guān)鍵點。該連續(xù)梁位于I20～I24號墩之間且位于圓曲線和緩和曲線上，圓曲線半徑為450m。

連續(xù)梁梁體截面為單箱單室、等高度截面，梁高均為2m，箱梁頂寬為9.6m。全橋共設(shè)9道橫隔梁，分別設(shè)于中支點、端支點和跨中。I21和I23號橫梁為隱形橫梁，橫梁高為2m，寬為2.5m，I21號門式墩蓋梁跨度為12m，I23號門式墩蓋梁跨度為16m。圖2為門式墩連續(xù)梁效果圖。

2 設(shè)計關(guān)鍵點

2.1 隱蓋梁和明蓋梁的比選

隱蓋梁即蓋梁和主梁的橫梁重疊，可大大減小結(jié)構(gòu)高度，外形美觀，但其受力較為復(fù)雜；明蓋梁即蓋梁上設(shè)置支座，主梁放在支座上，結(jié)構(gòu)高度高，通過支座傳力，受力明確。

本工程由于橋后300m處為車站，此處的縱斷面標高受車站標高限制，并需滿足地面道路的凈空 要求，故需設(shè)置成隱蓋梁，以降低結(jié)構(gòu)高度。

圖1 門式墩連續(xù)梁平面布置圖

圖2 門式墩連續(xù)梁效果圖

2.2 門式墩正交和斜交方案的比選

一般在城市軌道交通線路與地面道路斜交時，高架橋門式墩布置有兩種方案：與城市軌道交通線路正交（正交方案）；與地面道路正交（與軌道交通線路斜交，即斜交方案）。

門式墩正交方案：對于隱蓋梁連續(xù)梁，蓋梁與連續(xù)梁正交，受力明確，但與既有地面道路斜交，景觀性較差。門式墩斜交方案：蓋梁與地面道路正交，與連續(xù)梁斜交，受力較為復(fù)雜，存在斜交產(chǎn)生的附加力，但景觀效果好。

本工程的連續(xù)梁位于圓曲線和緩和曲線上，其線路與道路的斜交角為0°～17°，考慮到地面道路是城市主干道，為了道路景觀效果好，故選擇門式墩斜交方案（與道路正交）。

2.3 門式墩跨度確定

門式墩的跨度由既有地面道路的路幅布置和橋墩平面布置決定。既有地面道路路幅布置為3m（人行道）＋3m（非機動車道）＋7.5m（輔道）＋2m（分隔帶）＋12.5m（機動車道）＋4m（中央分隔帶）＋12.5m（機動車道）＋2m（分隔帶）＋7.5m（輔道）＋3m（非機動車道）＋3m（人行道）＝60m。

連續(xù)梁橋的墩柱布置原則為：① 在滿足梁部寬度要求時，門式墩蓋梁跨度應(yīng)盡量小，以減小蓋梁尺寸；② 盡量不影響行車道，墩柱宜布置在分隔帶中；③ 橋墩邊緣至地面車道邊緣有一定安全距離，本設(shè)計中為0.5m。

墩柱尺寸為2.0m（橫向）×2.5m（縱向），在盡量滿足上述墩柱布置三個原則的情況下，墩柱分別設(shè)置在中央分隔帶中間、機動車道和輔道之間的分隔帶中。為滿足安全距離，需將機動車道和輔道之間分隔帶拓寬，局部范圍內(nèi)輔道需向人行道側(cè)順移改道。

2.4 門式墩墩梁連接形式比選

門式墩的蓋梁和墩柱連接形式有墩梁剛接和墩梁鉸接兩種。

墩梁剛接的門式墩為蓋梁和墩柱剛接形成的門式框架。其優(yōu)點是可以節(jié)約支座費用；缺點是蓋梁上的水平力、彎矩和扭矩均會傳遞到橋墩，然后傳遞到基礎(chǔ)，使基礎(chǔ)圬工量增加，且由于蓋梁與曲線連續(xù)梁斜交，蓋梁產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)對基礎(chǔ)不利，受力復(fù)雜。

墩梁鉸接的門式墩即墩柱上設(shè)置支座，蓋梁布置在支座上。其優(yōu)點是由于支座可以扭轉(zhuǎn)，有助于釋放梁體、列車以及溫度應(yīng)力等引起的彎矩，傳遞到橋墩的僅有豎向力，故受力明確，可以達到節(jié)約基礎(chǔ)圬工、優(yōu)化設(shè)計的效果；缺點是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計年限為100年，而支座一般設(shè)計年限為10～20年，故需更換支座。

經(jīng)綜合考慮，在本實例中選擇墩梁鉸接式門式墩。

2.5 縱梁和隱蓋梁預(yù)應(yīng)力束位置關(guān)系

對于小跨度連續(xù)梁，縱梁剛度大，在支座變位的作用下，支點位置附近縱梁的下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力，需將跨中預(yù)應(yīng)力束穿過支座布置。而隱蓋梁縱向受力類似簡支結(jié)構(gòu)，下緣也要布置預(yù)應(yīng)力，設(shè)計時需要綜合考慮縱向預(yù)應(yīng)力和橫向應(yīng)力的位置關(guān)系，在滿足受力要求的同時，預(yù)應(yīng)力束的最小間距要滿足構(gòu)造要求。

圖3和圖4分別為I23號蓋梁處縱向和橫向鋼束布置圖。根據(jù)縱梁計算，梁底縱向鋼束B1和B2需要通過支點。根據(jù)計算，I23號蓋梁需要布置兩排橫向鋼束，為了使預(yù)應(yīng)力束的最小間距滿足構(gòu)造要求，且綜合考慮縱橫梁的受力要求，縱向鋼束B1和B2調(diào)整到橫向鋼束上方。

圖3 I23號橫梁處縱梁鋼束布置圖

圖4 I23號橫梁的鋼束布置圖

2.6 計算模型的選用

2.6.1 計算模型

隱蓋梁門式墩曲線橋梁的計算方法主要有以下幾種：① 平面梁單元模型法；② 空間梁單元模型法；③ 空間梁格模型法；④ 實體、板殼元模型法。

上述方法① 沒有考慮橋梁的橫向效應(yīng)，且不能直接考慮隱蓋梁的豎向變形對縱梁的影響，當橋梁寬度較窄時，荷載使上部結(jié)構(gòu)沿縱向產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，而橫向變位不改變形狀，此時上部結(jié)構(gòu)可以采用平面梁單元的梁模型；方法②沒有考慮橋梁的橫向效應(yīng)，使用時要求橋梁的寬跨比較?。环椒á凼悄壳霸O(shè)計和科研中常用的方法，對于寬梁和曲線梁能保證足夠的精度；方法④是解決問題最精確的方法，能夠考慮各種結(jié)構(gòu)受力的問題，但是分析模型復(fù)雜，不適合用于工程設(shè)計。

本連續(xù)梁位于曲線上，且中支點處設(shè)置帶懸臂隱形蓋梁，設(shè)計中采用兩種計算模型：橋博平面單梁模型和Midas軟件的空間梁格模型。

1）橋博平面單梁模型：如圖5所示，縱梁計算采用直線桿系模型，忽略曲線效應(yīng)，箱梁截面考慮有效分布寬度。模型中不建立橫梁單元，1、3、5號支點處采用一般支承，2號和4號支點處的隱形蓋梁采用彈性支承。彈性支承剛度K計算時將隱蓋梁近似為簡支梁，K＝48EI／L3（式中：E為混凝土彈性模量；I為截面慣性矩；L為蓋梁計算跨度）。

2）Midas軟件的空間梁格模型：如圖6所示，根據(jù)實際線路中心線建立曲線梁格模型。對于單箱單室橫截面，以對稱面劃分為兩個縱梁，縱梁位置與縱向腹板重合，縱梁之間以橫梁連接，除支點處為實際橫梁，其余為虛擬橫梁，間距為2～3m。模型中建立蓋梁單元，按實際支座位置建立支座節(jié)點，采用一般支承來模擬連續(xù)梁的實際情況。

圖5 橋博單梁模型

圖6 Midas軟件的空間梁格模型

2.6.2 計算活載模式

列車類型為B型車。列車為6節(jié)編組。每節(jié)車的車長為19.52m、定距為12.6m、固定軸距為2.2m，車輛最大軸重為140kN，最小軸重為65kN。

列車活載示意圖見圖7。

圖7 列車活載圖（2節(jié)車輛）

2.6.3 2種計算模型縱梁內(nèi)力計算結(jié)果比較

表1和表2分別為橋博平面單梁模型和Midas軟件的空間梁格模型的跨中截面、支點截面彎矩及較差比較表，其中Midas軟件的梁格模型跨中彎矩為兩片縱梁彎矩之和。

由表1、表2的2種計算模型，單梁模型和Midas軟件的空間梁格模型比較可見，恒、活載作用下，兩個模型的跨中彎矩和中支點彎矩總和相差不大，小于5%，滿足工程設(shè)計要求。

2.6.4 隱蓋梁斜交角度對連續(xù)梁受力的影響

以本連續(xù)梁Midas軟件的空間梁格模型為基礎(chǔ)，隱蓋梁跨度取14m，分別計算在隱蓋梁與軌道交通線路正交及與軌道交通線路斜交10°、20°、30°的情況下，自重作用下支點處彎矩值，詳見圖8～圖11和表3。

根據(jù)表3可見，隱蓋梁和縱梁正交時，支點負彎矩無突變；而斜交時，斜交角度越大，則支點負彎矩突變值越大，當蓋梁斜交角度達到30°時，支點負彎矩的較差達到28%。即使斜交角度為10°時，較差也達10%。由此可見，當隱蓋梁與縱梁斜交時，不能按正交方式計算，也不能按照平面單梁模型計算的總彎矩來計算配筋，因總彎矩不能包絡(luò)住每片縱梁的彎矩值，對結(jié)果計算會產(chǎn)生影響，斜交角度越大，平面單梁模型較差越大。

表1 不同計算模型彎矩kN·m

表2 不同計算模型彎矩較差%

圖8 蓋梁正交模型及縱梁彎矩圖

圖9 蓋梁斜交10°模型及縱梁彎矩圖

圖10 蓋梁斜交20°模型及縱梁彎矩圖

圖11 蓋梁斜交30°模型及縱梁彎矩圖

表3 自重作用下不同斜交角度時蓋梁處縱梁彎矩比較表

所以，斜交隱蓋梁連續(xù)梁不能采用橋博平面單梁模型的計算結(jié)果，而需要根據(jù)Midas軟件的空間梁格模型計算的內(nèi)力進行配筋驗算。與正交隱蓋梁相比，斜交隱蓋梁設(shè)計時，跨中鋼筋（或預(yù)應(yīng)力筋）相同，支點負彎矩區(qū)鋼筋（或預(yù)應(yīng)力筋）的配置需增加。

2.7 曲線梁隱蓋梁支座橫向位移研究

設(shè)置隱蓋梁的曲線連續(xù)梁時，在荷載下，由于曲線上彎扭耦合作用，主梁繞形心位置扭轉(zhuǎn)而引起蓋梁沿形心的轉(zhuǎn)動，此時兩端支座隨蓋梁繞蓋梁形心轉(zhuǎn)動，則支座沿蓋梁縱向發(fā)生水平位移。其水平位移等于扭轉(zhuǎn)角乘以蓋梁形心至支座中心的距離。

當隱蓋梁跨度較大或線路的曲線半徑較小時，主梁扭轉(zhuǎn)引起的支座水平位移需引起足夠重視。盆式橡膠支座的橫向間隙一般為0.5mm。當計算水平位移大于0.5mm時，需單獨設(shè)計支座，增大支座橫向間隙，以保證支座轉(zhuǎn)動不受影響。

經(jīng)計算，本實例中支點處縱梁最大轉(zhuǎn)角在I23號蓋梁處，為0.000 5rad。蓋梁形心至支座中心的距離為1.1m，計算得到支座橫向位移為0.000 5×1 100mm＝0.55mm。故設(shè)計采用支座橫向間隙每側(cè)1mm，需單獨設(shè)計支座。

3 結(jié)論

設(shè)計斜交隱蓋梁門式墩的曲線連續(xù)梁時，需要注意以下幾方面：

1）設(shè)計時需要綜合考慮：門式墩墩梁連接形式、墩柱布置、縱向預(yù)應(yīng)力和橫向應(yīng)力的位置關(guān)系等。

2）連續(xù)梁的中橫梁與縱梁斜交時，支點負彎矩在斜交支點附近有突變；連續(xù)梁的中橫梁與縱梁正交時，支點負彎矩無突變。所以，采用斜交隱蓋梁的連續(xù)梁配筋必須采用空間梁格模型計算結(jié)果，其支點負彎矩區(qū)鋼筋（或預(yù)應(yīng)力筋）的配置相比正交時的要多。

3）隱蓋梁跨度較大或線路的曲線半徑較小時，需計算縱梁扭轉(zhuǎn)引起的支座橫向水平位移，以保證支座轉(zhuǎn)動不受影響。

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