津?yàn)I輕軌伸縮區(qū)與固定區(qū)橋墩設(shè)計(jì)差異分析

摘　要:采用無縫線路的軌道交通伸縮區(qū)范圍內(nèi)的墩臺(tái),將承受較固定區(qū)墩臺(tái)大得多的水平力,具體分析受力差異,并提出伸縮區(qū)墩臺(tái)設(shè)計(jì)需要注意的問題和解決方案。關(guān)鍵詞:無縫線路作用力; 伸縮區(qū); 墩臺(tái); 設(shè)計(jì)
　　 1 　概述
天津市區(qū)至濱海新區(qū)的快速軌道交通工程,軌道采用60 kg/m 無碴或有碴軌道結(jié)構(gòu),無縫線路。作用在橋上無縫線路的縱向阻力有伸縮力、撓曲力、斷軌力。
伸縮力:因溫度變化,橋梁與長(zhǎng)鋼軌相對(duì)位移而產(chǎn)生的縱向力。撓曲力:在列車荷載作用下,橋梁撓曲引起橋梁與長(zhǎng)鋼軌相對(duì)位移而產(chǎn)生的縱向力。斷軌力:因長(zhǎng)鋼軌折斷,引起橋梁與長(zhǎng)鋼軌相對(duì)位移而產(chǎn)生的縱向力。為防止鋼軌受無縫線路縱向力作用而折斷或斷縫值超過允許值,根據(jù)橋跨布置和道岔布置情況,本工程全線許多地段設(shè)有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。伸縮區(qū)在日常溫度變化時(shí),梁軌產(chǎn)生很大的相對(duì)位移,長(zhǎng)鋼軌必須完全克服梁軌之間的道床阻力才能自由伸縮,故作用于梁、最后傳至墩臺(tái)頂?shù)纳炜s力較固定區(qū)大大增加。為考慮景觀要求、簡(jiǎn)化施工,伸縮區(qū)的橋墩尺寸要盡可能與固定區(qū)接近,這是一個(gè)很大的矛盾。
2 　伸縮區(qū)橋上無縫線路縱向力組合原則
(1) 同一股鋼軌的伸縮力、撓曲力相互獨(dú)立,不作疊加。
(2) 伸縮力、撓曲力不與同線的豎向活載、離心力、牽引力或制動(dòng)力組合。
(3) 伸縮力、撓曲力按主力考慮。
(4) 行車的一線不計(jì)無縫線路作用力。
(5) 伸縮區(qū)制動(dòng)墩承受的伸縮力,適當(dāng)考慮本聯(lián)非制動(dòng)墩的支座摩阻力影響。
(6) 伸縮力作用下的墩頂位移必須滿足規(guī)范對(duì)墩頂位移的限值。
(7) 伸縮力、撓曲力作用在軌底。當(dāng)檢算墩臺(tái)時(shí)移至墩臺(tái)支座鉸中心、當(dāng)檢算支座時(shí)移至支座頂中心,不計(jì)移動(dòng)作用點(diǎn)所產(chǎn)生的豎向力或力矩。
從荷載的角度伸縮區(qū)與固定區(qū)的最大區(qū)別是伸縮區(qū)不考慮斷軌力,但伸縮力數(shù)值大很多。另外,由于伸縮力數(shù)值大,非制動(dòng)墩將與梁產(chǎn)生較大的相對(duì)位移,故可以適當(dāng)考慮非制動(dòng)墩支座摩阻力承擔(dān)部分伸縮力。
3 　常用跨度橋墩的伸縮力與斷軌力比較
根據(jù)有關(guān)的分析計(jì)算,采用不同的扣件阻力時(shí),伸縮區(qū)與固定區(qū)常用跨度橋梁墩的長(zhǎng)鋼軌縱向力結(jié)果比較,如表1 所示。

表1 　常用跨度橋梁墩的長(zhǎng)鋼軌縱向力kN/ 軌

4 　無縫線路伸縮區(qū)內(nèi)墩臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題
無縫線路上的橋梁其墩臺(tái)所受的伸縮力及斷軌力均與梁跨長(zhǎng)度、線路縱向阻力成正比;當(dāng)?shù)刈畲鬁囟茸兓狄彩菦Q定無縫線路縱向水平力的重要因素。因此,一般伸縮區(qū)內(nèi)不宜布設(shè)長(zhǎng)聯(lián)、大跨及太高的墩臺(tái), 避免造成設(shè)計(jì)困難、墩身尺寸太大與梁部不協(xié)調(diào)、增加工程投資及影響美觀。由于相鄰聯(lián)墩臺(tái)頂縱向水平線剛度差影響縱向水平力的分配,有條件的情況下應(yīng)盡量限制相鄰聯(lián)墩的剛度差。
墩臺(tái)剛度即墩臺(tái)支承墊石頂產(chǎn)生單位縱向水平位移的水平力計(jì)算公式 K=H/Σδi Σδi=δp+δφ +δh 式中　H 作用在墩臺(tái)支承墊石頂?shù)目v向水平力,kN; δp 在H作用下,由于墩臺(tái)身彎曲引起的墩臺(tái)支承墊石頂縱向水平位移,cm; δ φ 在H作用下,由于基礎(chǔ)傾斜引起的墩臺(tái)支承墊石頂縱向水平位移,cm; δh 在H作用下,由于基礎(chǔ)平移引起的墩臺(tái)支承墊石頂縱向水平位移,cm。當(dāng)伸縮區(qū)墩臺(tái)因水平力大而設(shè)計(jì)困難時(shí),有效辦法為減短聯(lián)長(zhǎng)、改變道床扣件形式、減小道床阻力。另外,可以采用每聯(lián)設(shè)置多制動(dòng)墩,共同承受縱向水平力,有效減小固定墩承受的水平力、減小橋墩尺寸和基礎(chǔ)配設(shè)。但采用多固定墩時(shí),由于固定支座承受經(jīng)常性的溫度力作用,構(gòu)造上需改進(jìn)和加強(qiáng)。
5 　伸縮區(qū)與固定區(qū)在墩臺(tái)設(shè)計(jì)上的差異
伸縮區(qū)內(nèi)橋墩承受較大的伸縮力,雙線無車及單線無車分別承受4 根或2 根鋼軌的伸縮力。伸縮力又為主力,材料的允許應(yīng)力沒有提高系數(shù)即為1. 0 。直線及曲線控制荷載組合形式相同,橋墩墩頂水平位移、混凝土壓應(yīng)力及鋼筋拉應(yīng)力均為無車主力控制。較高的橋墩尺寸由墩頂位移控制,為滿足混凝土壓應(yīng)力允許值,較固定區(qū)提高了混凝土強(qiáng)度等級(jí),在伸縮力作用下進(jìn)行墩身裂縫檢算。控制工況的荷載組合見表2 。

表2 　直曲線上雙線伸縮區(qū)控制工況

固定區(qū)橋墩,如墩高H=0 ～ 12.0 m 為同樣的結(jié)構(gòu)尺寸,由墩高H=12 m 特殊荷載(主力+斷軌力)控制下,混凝土及鋼筋應(yīng)力滿足要求,確定橋墩結(jié)構(gòu)尺寸。材料的允許應(yīng)力提高系數(shù)為1.4 。墩高小于12 m 的橋墩逐漸減少配筋量,位移計(jì)算及裂縫檢算均不考慮特殊荷載,故此,固定區(qū)橋墩結(jié)構(gòu)尺寸與伸縮區(qū)相比, 可以減小很多。雙線固定區(qū)控制工況見表3 。

表3 　直曲線上雙線固定區(qū)控制工況

雙線多梁跨位于伸縮區(qū)時(shí),制動(dòng)墩承受縱向水平力太大,墩型不能與一般區(qū)段橋墩相協(xié)調(diào),基礎(chǔ)設(shè)置困難。經(jīng)研究后決定采用較小的扣件阻力Q2 ,使橋墩設(shè)計(jì)得出較為理想的結(jié)果。津?yàn)I輕軌全線單線墩較少,為了減少橋墩型式,加快施工速度,伸縮區(qū)的單線橋墩設(shè)計(jì)時(shí)與固定區(qū)單線橋墩擬定為同一結(jié)構(gòu)尺寸,墩身配筋不同。單線墩高H >14 m 位于伸縮區(qū)時(shí),由于需要的墩身尺寸大大超過固定區(qū)的單線墩,故每聯(lián)設(shè)置雙制動(dòng)墩,共同承受縱向水平力,減小結(jié)構(gòu)尺寸。伸縮區(qū)與固定區(qū)橋墩結(jié)構(gòu)尺寸見表4 。

表4 　雙線伸縮區(qū)與固定區(qū)橋墩結(jié)構(gòu)尺寸

　　由于墩身尺寸的加大,減小了伸縮區(qū)橋墩頂帽懸臂尺寸,用SAP84 程序進(jìn)行了應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明,采用固定區(qū)相應(yīng)頂帽尺寸配置的受拉、壓主筋及斜筋均能滿足要求。支座選形要注意所能承受的最大水平力。伸縮區(qū)配設(shè)基礎(chǔ)大、承臺(tái)大,剛性角超出規(guī)范,對(duì)于剛性承臺(tái)要求較多。承臺(tái)配筋及承臺(tái)加臺(tái)配筋均需加強(qiáng),一般由無車主力控制,鋼筋應(yīng)力允許值提高系數(shù)為1. 0 。而固定區(qū)為主力+ 特殊荷載控制,鋼筋應(yīng)力允許值提高系數(shù)為1. 4 ,固定區(qū)承臺(tái)大部分剛性角不超規(guī)范,承臺(tái)配筋多不需加強(qiáng)。
樁基設(shè)計(jì)時(shí),由于水平主力太大,大跨較高橋墩設(shè)計(jì)時(shí)樁頭易出現(xiàn)上拔力或墩頂位移超出,采用了增大樁間距或增加樁根數(shù)的辦法取得了較為滿意的結(jié)果。總之,津?yàn)I輕軌伸縮區(qū)內(nèi)橋墩結(jié)構(gòu)滿足橋上無縫線路鋪設(shè)要求,受力合理,滿足其行車要求,外形盡量與固定區(qū)統(tǒng)一,成為都市的一道風(fēng)景線。伸縮區(qū)墩臺(tái)設(shè)計(jì),還應(yīng)針對(duì)其特點(diǎn),不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),尤其是無縫線路作用力的計(jì)算及對(duì)墩臺(tái)的分配,應(yīng)成為完整的理論體系。選擇合理的軌道結(jié)構(gòu)及采用較小的扣件阻力很重要。還應(yīng)根據(jù)混凝土連續(xù)梁的跨度、當(dāng)?shù)刈畲鬁夭睢蚨帐芰η闆r,合理設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,達(dá)到安全適
注:曲線上計(jì)入離心力。用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的目的。