徐艷玲 李盼到 王新山

跨座式單軌剛構(gòu)體系鋼軌道梁的墩梁固結(jié)構(gòu)造研究

徐艷玲1李盼到1王新山2

(1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司北京100082;2.大連理工大學(xué)遼寧大連116024)

墩梁固結(jié)構(gòu)造是剛構(gòu)體系鋼軌道梁橋的關(guān)鍵部位。通過比較焊接連接、嵌套式連接、預(yù)應(yīng)力錨栓連接三種墩梁固結(jié)構(gòu)造方案，創(chuàng)新性地提出傳力機(jī)理可靠、疲勞性能優(yōu)越、可實(shí)施性好的預(yù)應(yīng)力錨栓連接方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行錨固構(gòu)造的錨固能力及預(yù)應(yīng)力錨栓受力驗(yàn)算，以及錨固構(gòu)造穩(wěn)定性計(jì)算，錨固構(gòu)造的應(yīng)力計(jì)算，以此指導(dǎo)此類橋梁的設(shè)計(jì)工作。

跨座式單軌交通;剛構(gòu)體系鋼軌道梁;墩梁固結(jié);間隙;應(yīng)力幅

跨座式單軌交通以其對(duì)線路平面小曲線、大縱坡的良好適應(yīng)能力，占地少、噪聲小、橋梁景觀效果好的特點(diǎn)，在中、小運(yùn)力軌道交通線路中的應(yīng)用日益廣泛［1-3］。目前，跨座式單軌交通橋梁結(jié)構(gòu)有簡(jiǎn)支體系和連續(xù)剛構(gòu)體系兩種［4］，其中簡(jiǎn)支體系橋梁最早由日本方面提出，主要應(yīng)用于小跨徑的橋梁和采用雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)體系(即梁上梁結(jié)構(gòu))的中、大跨徑橋梁，由于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)橋梁存在工程造價(jià)高、工期長(zhǎng)、景觀效果差等弊端，在美國(guó)、韓國(guó)等地逐漸被接縫少、行車舒適性好、結(jié)構(gòu)抗疲勞性能好，且后期養(yǎng)護(hù)工作量少的連續(xù)剛構(gòu)體系橋梁所取代［5］，特別是鋼軌道梁在大跨徑橋梁工程中推廣應(yīng)用，改善了原混凝土結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、施工精度高、誤差控制困難、工期長(zhǎng)等問題，使得剛構(gòu)體系鋼軌道梁的應(yīng)用越來越廣泛。在剛構(gòu)體系橋梁中，墩梁固結(jié)構(gòu)造是上、下部結(jié)構(gòu)之間傳力的重要一環(huán)，也是橋梁整體設(shè)計(jì)的重中之重。

圖1 鋼軌道梁橋橫斷面

1 墩梁固結(jié)構(gòu)造的作用

墩梁固結(jié)構(gòu)造是剛構(gòu)體系橋梁荷載由上部結(jié)構(gòu)向下部結(jié)構(gòu)傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，剛構(gòu)體系鋼軌道梁的固結(jié)構(gòu)造受到較大的軸向壓力、雙方向彎矩、扭矩及水平剪力的共同作用，受力復(fù)雜，疲勞問題突出，結(jié)構(gòu)構(gòu)造的合理性、傳力的可靠性、自身受力的安全性及施工的便捷性是剛構(gòu)體系鋼軌道梁設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。墩梁固結(jié)構(gòu)造的作用主要有兩個(gè)方面。

1.1 傳遞荷載的紐帶

固結(jié)構(gòu)造是將軌道梁自重及其受到的荷載安全、可靠地傳遞給下部結(jié)構(gòu)的紐帶，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造的合理性、傳力的可靠性及受力的安全性，直接決定了橋梁的整體安全性。

1.2 調(diào)高、調(diào)坡的手段

由于跨座式單軌交通制式對(duì)軌道梁外形要求嚴(yán)格，受線路平面、縱斷面曲線及超高的影響，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)外形均不相同。為方便施工，墩臺(tái)頂面一般采用平面，軌道梁也采用標(biāo)準(zhǔn)形狀，作為上下部結(jié)構(gòu)之間的連接構(gòu)造——墩梁固結(jié)構(gòu)造在滿足結(jié)構(gòu)傳力需求的同時(shí)，可根據(jù)線路實(shí)際情況進(jìn)行尺寸調(diào)整，實(shí)現(xiàn)調(diào)高、調(diào)坡的功能。

墩梁固結(jié)構(gòu)造體量小，加工方便，可在工廠與主梁一同按設(shè)計(jì)線形預(yù)制加工，待墩柱施工完畢后，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝就位以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，降低施工難度。

2 墩梁固結(jié)構(gòu)造比選

根據(jù)固結(jié)構(gòu)造受到較大的軸向壓力、雙方向彎矩、扭矩及水平剪力的共同作用、疲勞問題突出的受力特點(diǎn)，以及調(diào)高、調(diào)坡的功能要求，充分考慮其施工的便捷性及耐久性，借鑒現(xiàn)有的技術(shù)資料和條件，提出3種墩梁固結(jié)構(gòu)造方案進(jìn)行比選。

2.1 焊接連接方式

固結(jié)構(gòu)造由軌道梁下支承鋼板及其加勁構(gòu)造、墩頂預(yù)埋鋼板及其錨固構(gòu)造構(gòu)成。支承鋼板及其加勁構(gòu)造在工廠與軌道梁被焊接成為整體，墩頂預(yù)埋鋼板及其PBL錨固系統(tǒng)預(yù)埋入橋墩蓋梁［6］。施工時(shí)將軌道梁運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，精確就位后，將支承鋼板及其加勁構(gòu)造與墩頂預(yù)埋鋼板牢固焊接即可，如圖2所示。

圖2 焊接連接方式

此方案構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，但上、下部結(jié)構(gòu)間完全依靠支承鋼板及其加勁構(gòu)造與墩頂預(yù)埋鋼板間的T形焊縫傳遞荷載，由于固結(jié)構(gòu)造所受應(yīng)力幅較大，疲勞特點(diǎn)突出，對(duì)焊縫受力極為不利，再加上狹小的操作空間對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，導(dǎo)致其受力安全性不高。

2.2 嵌套式連接

固結(jié)構(gòu)造由軌道梁下支承鋼板、嵌固鋼板及其加勁構(gòu)造、錨固精軋螺紋鋼筋構(gòu)成。支承鋼板、嵌固鋼板及其加勁構(gòu)造在工廠與軌道梁被焊接成為整體，墩柱或蓋梁預(yù)留錨固孔。施工時(shí)將軌道梁運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，嵌套入蓋梁或墩柱頂部，精確就位后，張拉錨固精軋螺紋鋼筋，如圖3所示。

圖3 嵌套式連接

此錨固構(gòu)造受到的壓力由支承鋼板傳遞至蓋梁頂部，拉力通過嵌固鋼板與蓋梁間的摩擦力傳遞至墩柱，因此要求對(duì)精軋螺紋鋼筋施加足夠的預(yù)加力。此方案?jìng)髁C(jī)制明確，支承鋼板與嵌固鋼板均在工廠與軌道梁焊接成為整體，焊縫質(zhì)量及其疲勞性能可得到保證，但由于現(xiàn)場(chǎng)澆注的墩柱與工廠加工的嵌固鋼板間的間隙不易控制，導(dǎo)致實(shí)施難度大。受此影響，拉力的傳遞可能失效，導(dǎo)致精軋螺紋受剪破壞。

2.3 預(yù)應(yīng)力錨栓連接

固結(jié)構(gòu)造由軌道梁下支承鋼板及其加勁構(gòu)造、墩頂預(yù)埋鋼板、預(yù)應(yīng)力錨栓及其錨固構(gòu)造構(gòu)成。支承鋼板及其加勁構(gòu)造在工廠與軌道梁被焊接成為整體，墩頂預(yù)埋鋼板、預(yù)應(yīng)力錨栓及其錨固系統(tǒng)預(yù)埋入橋墩蓋梁。施工時(shí)將軌道梁運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，精確就位后，張拉預(yù)應(yīng)力錨栓即可完成錨固，如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨栓連接

當(dāng)錨栓施加足夠的預(yù)加力時(shí)，此錨固構(gòu)造在任何情況下，支承鋼板與墩頂預(yù)埋鋼板間都不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力、當(dāng)錨栓預(yù)加力產(chǎn)生的摩擦力大于固結(jié)構(gòu)造所受水平力時(shí)，錨栓也不會(huì)受剪，因此錨固構(gòu)造的傳力非常可靠。同時(shí)，此錨固構(gòu)造抗疲勞性能好，也符合跨座式單軌制式橋梁的受力特點(diǎn)。但此方案的軌道梁就位時(shí)需對(duì)孔，當(dāng)預(yù)留錨栓數(shù)量較多時(shí)，施工難度將大大提高，因此應(yīng)采用大直徑錨栓，盡可能減少錨栓數(shù)量。

通過對(duì)上述3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力錨栓連接方式傳力機(jī)理更為安全可靠，且具有較強(qiáng)的可實(shí)施性，因此推薦采用此方案。

3 墩梁固結(jié)構(gòu)造驗(yàn)算

墩梁固結(jié)構(gòu)造是剛構(gòu)體系鋼軌道梁受力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其傳力的可靠性直接決定著橋梁的整體受力性能，因此必須對(duì)其進(jìn)行全面、精確的受力分析。根據(jù)其受力特點(diǎn)，驗(yàn)算內(nèi)容主要包括:錨固構(gòu)造的錨固能力及預(yù)應(yīng)力錨栓受力驗(yàn)算，錨固構(gòu)造穩(wěn)定性計(jì)算，錨固構(gòu)造的應(yīng)力計(jì)算。

3.1 計(jì)算模型

墩梁固結(jié)構(gòu)造的驗(yàn)算雖然僅是解決局部受力安全性的問題，但其對(duì)橋梁的整體安全性影響很大，必須采用精細(xì)化的仿真分析才能滿足需要，為降低計(jì)算分析工作量，可采用局部的脫離體模型進(jìn)行。本次研究對(duì)墩梁固結(jié)部位采用大型通用有限元程序ANSYS進(jìn)行建模計(jì)算，有限元模型如圖5所示。

圖5 某中墩墩梁固結(jié)構(gòu)造計(jì)算模型

混凝土采用實(shí)體單元solid65模擬，鋼梁采用板單元shell63模擬，精軋螺紋鋼采用3D桿單元link10模擬，設(shè)置成僅有受拉特性。為計(jì)算鋼箱梁底板與混凝土蓋梁之間只能受壓不能受拉的非線性行為，在鋼箱梁底板與混凝土蓋梁表面之間設(shè)置微小間隙1 mm，在其間建立桿單元link10，并打開其僅受壓特性。預(yù)應(yīng)力錨栓采用精軋螺紋鋼，其錨固端和張拉端處采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式模擬錨墊板和鋼板的協(xié)同變形和受力。精軋螺紋鋼的初始內(nèi)力為500 kN，初始應(yīng)力為620 MPa，采用初始應(yīng)變的方式施加。為便于計(jì)算和分析，蓋梁采用等截面，其高度取1.5 m;外荷載根據(jù)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果施加于距梁端3 m的截面形心處。

3.2 錨固能力驗(yàn)算

3.2.1 轉(zhuǎn)角位移固結(jié)驗(yàn)算

當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨栓的預(yù)緊力足以克服所有外荷載對(duì)其產(chǎn)生的拉力時(shí)，錨固構(gòu)造的支承鋼板與墩頂預(yù)埋鋼板間將沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)位移發(fā)生，此時(shí)錨栓的應(yīng)力幾乎維持不變，基本不存在疲勞問題，此時(shí)可定義為轉(zhuǎn)角完全固結(jié)構(gòu)造。但在多數(shù)情況下，受固結(jié)構(gòu)造及下部結(jié)構(gòu)蓋梁尺寸的影響，很難布置足夠的錨栓，因而就不能施加足夠的預(yù)緊力達(dá)到轉(zhuǎn)角完全固結(jié)的目的，此時(shí)可設(shè)計(jì)為部分轉(zhuǎn)角固結(jié)構(gòu)造，即允許支承鋼板與墩頂預(yù)埋鋼板間產(chǎn)生部分間隙，但此時(shí)需保證錨栓的最大應(yīng)力及應(yīng)力幅滿足要求。

圖6 某中墩墩梁固結(jié)構(gòu)造計(jì)算結(jié)果

式中，Δσmax為錨栓最大應(yīng)力幅值;ΔUmax為最大脫離間隙;L為錨栓計(jì)算長(zhǎng)度;E為錨栓彈性模量;σmax為錨栓最大應(yīng)力。

根據(jù)對(duì)某中墩墩梁固結(jié)構(gòu)造計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)(見圖6)，隨著墩頂彎矩的增大，部分轉(zhuǎn)角構(gòu)造的脫離間隙和脫離比例相應(yīng)增大，對(duì)應(yīng)精軋螺紋鋼筋應(yīng)力的絕對(duì)值也相應(yīng)增大，當(dāng)墩頂彎矩在最不利彎矩12 000 kN·m作用下，部分固結(jié)構(gòu)造脫離間隙約1.5 mm，脫離比例小于50%，接觸面未出現(xiàn)脫離，此時(shí)錨栓最大拉應(yīng)力為760 MPa，可滿足JL32精軋螺紋鋼筋的使用要求，使結(jié)構(gòu)受力安全。

3.2.2 水平抗剪性能驗(yàn)算

根據(jù)墩梁固結(jié)的構(gòu)造特點(diǎn)和工作原理，其水平抗剪承載力應(yīng)由支承鋼板與墩頂預(yù)埋鋼板間的靜摩擦力來提供，不允許預(yù)應(yīng)力錨栓承受剪切作用。即

對(duì)于部分轉(zhuǎn)角固結(jié)構(gòu)造，固結(jié)構(gòu)造的最大脫離間隙值與預(yù)應(yīng)力錨栓的最大應(yīng)力及應(yīng)力幅值間存在如下對(duì)應(yīng)關(guān)系式中，F(xiàn)max為錨固構(gòu)造需要傳遞的最大水平力;∑N為錨固構(gòu)造受到的軸向力，包括錨栓的預(yù)緊力及軌道梁傳遞的恒載豎向力;μ為支承鋼板與墩頂預(yù)埋鋼板間的摩擦系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明，墩梁固結(jié)處的水平剪力最大值由抗震設(shè)計(jì)控制，且縱向水平剪力大于橫向水平剪力，因此，縱向地震力作用下的抗剪驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 水平抗剪承載力及安全系數(shù)

可以看出，中墩固結(jié)構(gòu)造的抗剪安全系數(shù)在1.6～5.0之間。其中下限值為接觸面粗糙度較小的情況，實(shí)際施工時(shí)可采取措施增大接觸面的粗糙度，以保證墩梁固結(jié)構(gòu)造具有較大的水平抗剪承載能力。

3.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

由于固結(jié)構(gòu)造需要承受軌道梁傳遞的雙向彎矩、扭矩及水平力的共同作用，再加上錨栓施加的強(qiáng)大軸向力，對(duì)固結(jié)構(gòu)造的穩(wěn)定性影響很大，因此必須對(duì)其受力穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算(見圖7)。

圖7 某邊墩墩梁固結(jié)構(gòu)造穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

可以看出，該構(gòu)造設(shè)計(jì)的一階失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)為21.7，且并未發(fā)生在固結(jié)構(gòu)造處，因此穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算

由于固結(jié)構(gòu)造受力復(fù)雜，存在應(yīng)力集中區(qū)域，需對(duì)固結(jié)構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力審查，找出應(yīng)力集中部位，通過優(yōu)化構(gòu)造，避免或改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中效應(yīng)(見圖8)。

可以看出，該墩梁固結(jié)構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在固結(jié)區(qū)腹板及剛度過渡板處，除精軋螺紋鋼筋錨固端部出現(xiàn)大于200 MPa的應(yīng)力集中現(xiàn)象外，錨固區(qū)腹板及加勁板的應(yīng)力水平均在200 MPa以內(nèi);主梁頂部未出現(xiàn)較大的應(yīng)力狀態(tài)，梁頂鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平在50 MPa左右，疊合層混凝土應(yīng)力水平在4.0 MPa左右;固結(jié)區(qū)蓋梁頂部混凝土除預(yù)埋鋼板邊緣出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象外，蓋梁頂部混凝土壓應(yīng)力水平在16.2 MPa以內(nèi)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 某邊墩墩梁固結(jié)構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過分析剛構(gòu)體系鋼軌道梁墩梁固結(jié)構(gòu)造的功能需求，提出3種構(gòu)造設(shè)計(jì)方案，比較其自身優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，推薦采用預(yù)應(yīng)力錨栓連接方案，并在此基礎(chǔ)上對(duì)墩梁固結(jié)構(gòu)造的驗(yàn)算內(nèi)容及驗(yàn)算方法進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論:

1)墩梁固結(jié)構(gòu)造不但要滿足傳力需求，還要具有調(diào)高、調(diào)坡的能力;

2)墩梁固結(jié)構(gòu)造推薦選用構(gòu)造合理、傳力機(jī)理可靠、疲勞性能優(yōu)越、可實(shí)施性好的預(yù)應(yīng)力錨栓連接方案;

3)在實(shí)際工程中，應(yīng)建立仿真模型對(duì)墩梁固結(jié)構(gòu)造進(jìn)行精確的數(shù)值分析，需對(duì)其轉(zhuǎn)角位移固結(jié)能力、水平抗剪性能、穩(wěn)定性及構(gòu)件應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)核算，確保其傳力可靠，受力安全。

［1］跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50458—2008［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008:33-41.

［2］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50017—2003［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［3］李林.重慶跨座式單軌交通高架軌道梁橋設(shè)計(jì)［J］.城市軌道交通研究，2003(6):88-93.

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(編輯:郝京紅)

Research on Pier-Beam Consolidation in Straddle-Type Rail Transit

Xu Yanling1Li Pandao1Wang Xinshan2
(1.Beijing General Municipal Engineering Design＆Research Institute，Beijing 100082; 2.Dalian University of Technology，Dalian 116024)

Due to its good ride comfort and strong span ability，rigid frame bridge with steel track beam has been widely used in straddle-type monorail transportation.By comparing the welding connection，nested connection and the connection with prestressed anchor bolt，a new connection schemewith pre-stressed anchor bolt has been put forward which hasmore reliable power transmissionmechanism，superior fatigue performance and better implementation.On the basis of this，the anchorage capacity of the anchorage structure，the stress checking computation of the pre-stressed anchor bolt and the calculation of its stability and stress are carried out.This research can provide guidance for similar bridge design.

straddle-typemonorail transportation;rigid frame bridgewith steel track beam;pier-beam consolidation;gap;stress amplitude

U231

A

1672-6073(2016)02-0066-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.015

2015-04-16

2015-06-09

徐艷玲，女，碩士，從事橋梁設(shè)計(jì)工作，xuyanling@bmedi.cn