摘 要:曲线桥是立交桥和高架桥的一种重要的结构形式,在365JT交通运输中起着重要作用。主要研究重庆轻轨倒Ｔ形曲
线ＰＣ轨道梁桥的结构特点,并对其受力特性进行分析研究。
关键词:高架桥;倒Ｔ形;ＰＣ轨道梁;重庆轻轨
中图分类号:Ｕ448．28 文献标识码:Ｂ 文章编号:10042954(2004)06002905
1 概述
重庆市轻轨线路纵贯长江和嘉陵江间狭长的渝中半岛,穿行于中梁山至真武山之间的低丘地带,总长14．35ｋｍ。沿途共有14个车站、2个主变电所、1个车辆段、1个控制中心。重庆轻轨较新线一期工程在我国首次采用跨座式单轨交通系统,其轨道梁既是车辆的承重结构,又是车辆运行的轨道,因此365JT设计时除必须确保轨道梁的强度、刚度外,还必须确保轨道梁的线形精度。倒Ｔ形ＰＣ轨道梁是跨座式单轨交通系统轨道梁中具有突出特点的一种新型结构形式,具有跨越能力强、刚度大、噪声低、防腐性好、耐久性高的优点,为365JT城市单轨交通跨越既有城市构筑物的首选方案之一。由于受线路平纵断面、既有城市立交桥净空和车辆限制,以及腰部安装接触网汇流牌需要,倒Ｔ形ＰＣ轨道梁的上部尺寸必须满足85ｃｍ×150ｃｍ的断面尺寸及相应的平面曲线,而且行车的净空也有特殊要求(即上述梁断面上方及左右都不能有障碍物),结构高度也受到限制。因此,跨座式单轨交通系统倒Ｔ形ＰＣ轨道梁的设计是一项全新的、具有较高设计难度的工作。重庆轻轨较新线一期工程于大堰村维修基地出入段线路跨越长江二桥北引道处,由于受地形、地物控制须采用较大跨度,且线路位于曲线上,因而入段线采用跨度为33．608ｍ和29．8ｍ的2跨倒Ｔ形ＰＣ简支轨道梁;出段线采用跨度为40ｍ的3跨倒Ｔ形ＰＣ简支轨道梁。由于跨座式单轨交通在我国实施尚属首次,跨座式单轨交通系统倒Ｔ形ＰＣ轨道梁为国内首创,目前在国内外均无设计标准,更没有“倒Ｔ形ＰＣ轨道梁”的设计资料和相关范例。因此,跨座式单轨交通系统倒Ｔ形ＰＣ轨道梁的设计研究是一项艰巨的创新工作。目前,根据日本和马来西亚的经验,跨座式单轨交通系统ＰＣ简支轨道梁的跨度都不超过22ｍ,更大的跨度采用钢结构或连续梁结构。钢结构轨道梁一般是板梁,构造比较复杂,特别在小半径的平面曲线上其构造更加复杂且构件的加工、组拼365JT施工都特别困难;马来西亚曾采用跨度为40ｍ左右的直线连续ＰＣ轨道梁结构,截面为变高度形式,其梁高从跨中的1．5ｍ左右过渡到支点附近的3ｍ左右。考虑到在小半径的平面曲线上设置变高度的连续ＰＣ轨道梁的设计和施工难度都很大,因此未采用上述方案。根据曲线梁扭矩较大的特点,首先比较“山”字形槽形梁和倒Ｔ形梁,经分析计算,槽形梁预应力配置较多、混凝土体积较大,施工中模板制作、预应力张拉不便;其次比较简支和连续梁方案,连续梁通长束长约120ｍ,张拉后预应力施加的效果不好。故本设计采用了“倒Ｔ形ＰＣ简支轨道梁”方案(图1),并在大跨间的墩顶预留张拉空间,梁部施工完成后浇楔形混凝土。
图1 倒Ｔ形ＰＣ轨道梁断面(单位:ｍｍ)
设计段内的线路纵坡为3．343%与平坡,其衔接的竖曲线半径Ｒ=1000ｍ,平曲线半径为Ｒ=100ｍ(不设缓和曲线)。本文重点以出段线3跨跨度为40ｍ的简支梁(图2)为例,简要介绍入段线简支梁计算和倒Ｔ形ＰＣ轨道梁设计。其中第1跨(Ｂ1段)位于直线与圆曲线上,其直线部分跨长16．283ｍ,曲线部分跨长23．717ｍ;第2跨(Ｂ2段)位于圆曲线上;第3跨(Ｂ3段
)位于圆曲线与直线上,其曲线部分跨长38．854ｍ,直线部分跨长1．146ｍ。3跨均为后张全预应力混凝土简支梁。由于是跨座式轨道梁,因此设计除满足承载力要求外,还要求在制造过程中满足线路设计要求的流畅的轨道线型。
图2 重庆轻轨倒Ｔ形ＰＣ轨道梁(出段线)结构示意
2 重庆轻轨曲线梁桥特点
2．1 简支曲线梁桥的主要力学特性
(1)竖向荷载下的受力特点同直线梁桥一样,曲线梁桥在竖向荷载作用下,梁截面内产生弯矩和剪力,但由于曲线梁桥本身的几何特性,导致梁发生扭转而在截面内产生扭矩。扭矩的大小与曲线梁桥的曲线半径有密切的关系,对于相同的竖向荷载,曲线半径越小,截面内的扭矩越大;反之,扭矩越小。
(2)曲线梁的弯扭耦合作用根据弯梁的空间平衡条件、弯梁的几何方程以及变形协调方程,可以得到描述位移、转角与外荷载关系的弯梁基本微分方程(符拉索方程),其表达式为
由上述方程可以看出,弯梁平面内的荷载、内力和变形与垂直于弯梁平面的荷载内力变形互不影响;而式(1)和式(2)分别反映了竖向位移、扭转角与外荷载的关系,两个方程不相互独立,即弯梁中弯矩与扭矩具有相互影响的特性,这就是曲线梁的弯扭耦合作用。(3)翘曲和畸变效应对于薄壁结构的曲线梁桥,当梁受扭时,若梁截面受到约束,纵向纤维在纵向不能自由伸缩,将会产生约束扭转,截面上除扭转剪应力外还有翘曲正应力。畸变是截面受扭后产生的变形,这时截面不再是原来的形状,畸变产生翘曲正应力和畸变剪应力。对于薄壁结构,由约束扭转产生的翘曲正应力和由畸变产生的翘曲正应力及畸变剪应力是不容忽略的。重庆轻轨主梁,由于其截面开孔较小,因此,翘曲和畸变变形也非常小,对梁内力的影响可以忽略不计,因此计算时可不考虑翘曲和畸变产生的影响。
2．2 设计荷载(图3)
(1)恒载
结构容重按26ｋＮ/ｍ3计算自重;二期恒载包括各种管线重量,按2．25ｋＮ/ｍ考虑。(2)活载入段线及基地内试车线单轨车辆的设计荷载按满员时(轴重110ｋＮ)考虑,基地内其余库线单轨车辆的设计荷载按定员时(轴重90ｋＮ)考虑,疲劳检算按定员活载计算。冲击系数μ=20/(50+Ｌ),Ｌ为计算跨径。离心力 当曲线梁半径小于250ｍ时,需要考虑离心力的作用,离心力按车辆荷载乘以离心力系数计算,离心力系数ｃ=Ｖ2/127Ｒ,Ｖ为计算行车速度,取Ｖ=25ｋｍ/ｈ;Ｒ为曲线半径。车辆的横向力 由于轻轨前、后轮对于梁的横向作用力方向相反、大小相等,因此对于具有偶数对车轮的梁,其横向力相互抵消,合力为零;而对于具有奇数对车轮的梁,其对横向力的合力为一对车轮的横向作用力,按作用在行驶面高度处水平作用于与轨道轴线方向垂直的单轴集中荷载考虑,其大小为单轨车辆设计荷载单轴轴重的25%。(3)风荷载无车时风压Ｗ1=0．845ｋＰａ,有车时风压Ｗ2=0．8ｋＰａ,Ｗ1=0．676ｋＰａ。根据《铁路桥涵设计基本规范》(ＴＢ10002．1—99)得到:基本风压Ｗ0=500Ｐａ、Ｋ1=1．3、Ｋ2=1．3(Ｈ=50ｍ)、Ｋ3=1．0;无车时风压Ｗ1=Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｗ0=845Ｐａ。(4)温度混凝土结构随温度升降用月平均气温为参照来确定,取+20℃,混凝土收缩按降温15℃考虑,不均匀日照按温差5℃考虑。(5)制动荷载和启动荷载制动荷载及启动荷载是单轨车辆重心位置上作用于轨道方向的力,取单轨车辆设计荷载的15%。(6)地震烈度7度。在设计中根据《铁路工程抗震设计规范》(ＴＢＪ111—87)按7度取水平地震系数Ｋｈ=0．10。计算地震荷载时活载按定员考虑,轴重Ｐ=90ｋＮ,且不计冲击。
图3 设计荷载图式(单位:ｍｍ)
3 结构设计特点
3．1 荷载组合
(1)使用阶段荷载组合
根据《铁路桥涵设计基本规范》(ＴＢ10002．1—99)以及实际情况,确定以下6种组合。①基本组合 静荷载+动荷载+冲击荷载+离心力(或车辆横向荷载);②组合Ａ 基本组合+温度;③
组合Ｂ 基本组合+风荷载;④组合Ｃ 基本组合+风荷载+温度;⑤组合Ｄ 基本组合+风荷载+温度+纵向力;⑥组合Ｅ 基本组合+地震力。根据对上述组合进行计算的结果,得到最不利组合为⑤组合Ｄ。(2)破坏阶段荷载组合①1．3×静荷载+2．5×(动荷载+冲击荷载+离心
力+横向荷载);②1．75×(静荷载+动荷载+冲击荷载+离心力+横向荷载);③1．3×静荷载+2．5×(动荷载+冲击荷载+风荷载)。
3．2 主梁设计及预应力钢筋设置
(1)主梁设计
出段线倒Ｔ形ＰＣ轨道梁梁高2．8ｍ,上部1．85ｍ范围为适应单轨车辆走行需要,采用与标准ＰＣ轨道梁相同的空心Ｉ字形截面,梁宽0．85ｍ;考虑结构抗扭和抗倾覆需要,下部0．95ｍ梁高范围内的梁宽由支座处的4．20ｍ变化为跨中的3．00ｍ。为减小结构自重,截面挖空形成单箱多室箱形截面。两端及中间设横隔板。主梁主断面形式见图1。主梁采用Ｃ60混凝土,弹性模量Ｅｃ=3．75×104ＭＰａ。根据初步计算,由于曲线梁半径较小,结构体系为简支梁,因此梁端支座处扭矩很大,梁内侧支座出现较大拉力。经反复计算,对梁截面进行了调整,将原梁端下翼缘宽度由3．0ｍ扩大为4．2ｍ,并设置0．6ｍ的偏心。调整后内侧支座无负反力。原梁下翼缘底板,由于设置预应力钢筋导致梁下翼缘底板面积削弱,因此将原设计中底板厚度由20ｃｍ调整为25ｃｍ。(2)纵向预应力筋设置预应力筋采用7?5(公称直径15．24ｍｍ)预应力钢绞线,纵向预应力钢筋采用每束12?15．24ｍｍ与15?15．24ｍｍ两种规格的钢绞线,锚具采用ＹＭ1512和ＹＭ1515,波纹管外径分别为92ｍｍ和102ｍｍ,千斤顶采用ＹＣＬ420,锚下张拉控制应力为1320ＭＰａ。跨中断面布置见图4。
线ＰＣ轨道梁桥的结构特点,并对其受力特性进行分析研究。
关键词:高架桥;倒Ｔ形;ＰＣ轨道梁;重庆轻轨
中图分类号:Ｕ448．28 文献标识码:Ｂ 文章编号:10042954(2004)06002905
1 概述
重庆市轻轨线路纵贯长江和嘉陵江间狭长的渝中半岛,穿行于中梁山至真武山之间的低丘地带,总长14．35ｋｍ。沿途共有14个车站、2个主变电所、1个车辆段、1个控制中心。重庆轻轨较新线一期工程在我国首次采用跨座式单轨交通系统,其轨道梁既是车辆的承重结构,又是车辆运行的轨道,因此365JT设计时除必须确保轨道梁的强度、刚度外,还必须确保轨道梁的线形精度。倒Ｔ形ＰＣ轨道梁是跨座式单轨交通系统轨道梁中具有突出特点的一种新型结构形式,具有跨越能力强、刚度大、噪声低、防腐性好、耐久性高的优点,为365JT城市单轨交通跨越既有城市构筑物的首选方案之一。由于受线路平纵断面、既有城市立交桥净空和车辆限制,以及腰部安装接触网汇流牌需要,倒Ｔ形ＰＣ轨道梁的上部尺寸必须满足85ｃｍ×150ｃｍ的断面尺寸及相应的平面曲线,而且行车的净空也有特殊要求(即上述梁断面上方及左右都不能有障碍物),结构高度也受到限制。因此,跨座式单轨交通系统倒Ｔ形ＰＣ轨道梁的设计是一项全新的、具有较高设计难度的工作。重庆轻轨较新线一期工程于大堰村维修基地出入段线路跨越长江二桥北引道处,由于受地形、地物控制须采用较大跨度,且线路位于曲线上,因而入段线采用跨度为33．608ｍ和29．8ｍ的2跨倒Ｔ形ＰＣ简支轨道梁;出段线采用跨度为40ｍ的3跨倒Ｔ形ＰＣ简支轨道梁。由于跨座式单轨交通在我国实施尚属首次,跨座式单轨交通系统倒Ｔ形ＰＣ轨道梁为国内首创,目前在国内外均无设计标准,更没有“倒Ｔ形ＰＣ轨道梁”的设计资料和相关范例。因此,跨座式单轨交通系统倒Ｔ形ＰＣ轨道梁的设计研究是一项艰巨的创新工作。目前,根据日本和马来西亚的经验,跨座式单轨交通系统ＰＣ简支轨道梁的跨度都不超过22ｍ,更大的跨度采用钢结构或连续梁结构。钢结构轨道梁一般是板梁,构造比较复杂,特别在小半径的平面曲线上其构造更加复杂且构件的加工、组拼365JT施工都特别困难;马来西亚曾采用跨度为40ｍ左右的直线连续ＰＣ轨道梁结构,截面为变高度形式,其梁高从跨中的1．5ｍ左右过渡到支点附近的3ｍ左右。考虑到在小半径的平面曲线上设置变高度的连续ＰＣ轨道梁的设计和施工难度都很大,因此未采用上述方案。根据曲线梁扭矩较大的特点,首先比较“山”字形槽形梁和倒Ｔ形梁,经分析计算,槽形梁预应力配置较多、混凝土体积较大,施工中模板制作、预应力张拉不便;其次比较简支和连续梁方案,连续梁通长束长约120ｍ,张拉后预应力施加的效果不好。故本设计采用了“倒Ｔ形ＰＣ简支轨道梁”方案(图1),并在大跨间的墩顶预留张拉空间,梁部施工完成后浇楔形混凝土。
图1 倒Ｔ形ＰＣ轨道梁断面(单位:ｍｍ)
设计段内的线路纵坡为3．343%与平坡,其衔接的竖曲线半径Ｒ=1000ｍ,平曲线半径为Ｒ=100ｍ(不设缓和曲线)。本文重点以出段线3跨跨度为40ｍ的简支梁(图2)为例,简要介绍入段线简支梁计算和倒Ｔ形ＰＣ轨道梁设计。其中第1跨(Ｂ1段)位于直线与圆曲线上,其直线部分跨长16．283ｍ,曲线部分跨长23．717ｍ;第2跨(Ｂ2段)位于圆曲线上;第3跨(Ｂ3段
)位于圆曲线与直线上,其曲线部分跨长38．854ｍ,直线部分跨长1．146ｍ。3跨均为后张全预应力混凝土简支梁。由于是跨座式轨道梁,因此设计除满足承载力要求外,还要求在制造过程中满足线路设计要求的流畅的轨道线型。
图2 重庆轻轨倒Ｔ形ＰＣ轨道梁(出段线)结构示意
2 重庆轻轨曲线梁桥特点
2．1 简支曲线梁桥的主要力学特性
(1)竖向荷载下的受力特点同直线梁桥一样,曲线梁桥在竖向荷载作用下,梁截面内产生弯矩和剪力,但由于曲线梁桥本身的几何特性,导致梁发生扭转而在截面内产生扭矩。扭矩的大小与曲线梁桥的曲线半径有密切的关系,对于相同的竖向荷载,曲线半径越小,截面内的扭矩越大;反之,扭矩越小。
(2)曲线梁的弯扭耦合作用根据弯梁的空间平衡条件、弯梁的几何方程以及变形协调方程,可以得到描述位移、转角与外荷载关系的弯梁基本微分方程(符拉索方程),其表达式为
由上述方程可以看出,弯梁平面内的荷载、内力和变形与垂直于弯梁平面的荷载内力变形互不影响;而式(1)和式(2)分别反映了竖向位移、扭转角与外荷载的关系,两个方程不相互独立,即弯梁中弯矩与扭矩具有相互影响的特性,这就是曲线梁的弯扭耦合作用。(3)翘曲和畸变效应对于薄壁结构的曲线梁桥,当梁受扭时,若梁截面受到约束,纵向纤维在纵向不能自由伸缩,将会产生约束扭转,截面上除扭转剪应力外还有翘曲正应力。畸变是截面受扭后产生的变形,这时截面不再是原来的形状,畸变产生翘曲正应力和畸变剪应力。对于薄壁结构,由约束扭转产生的翘曲正应力和由畸变产生的翘曲正应力及畸变剪应力是不容忽略的。重庆轻轨主梁,由于其截面开孔较小,因此,翘曲和畸变变形也非常小,对梁内力的影响可以忽略不计,因此计算时可不考虑翘曲和畸变产生的影响。
2．2 设计荷载(图3)
(1)恒载
结构容重按26ｋＮ/ｍ3计算自重;二期恒载包括各种管线重量,按2．25ｋＮ/ｍ考虑。(2)活载入段线及基地内试车线单轨车辆的设计荷载按满员时(轴重110ｋＮ)考虑,基地内其余库线单轨车辆的设计荷载按定员时(轴重90ｋＮ)考虑,疲劳检算按定员活载计算。冲击系数μ=20/(50+Ｌ),Ｌ为计算跨径。离心力 当曲线梁半径小于250ｍ时,需要考虑离心力的作用,离心力按车辆荷载乘以离心力系数计算,离心力系数ｃ=Ｖ2/127Ｒ,Ｖ为计算行车速度,取Ｖ=25ｋｍ/ｈ;Ｒ为曲线半径。车辆的横向力 由于轻轨前、后轮对于梁的横向作用力方向相反、大小相等,因此对于具有偶数对车轮的梁,其横向力相互抵消,合力为零;而对于具有奇数对车轮的梁,其对横向力的合力为一对车轮的横向作用力,按作用在行驶面高度处水平作用于与轨道轴线方向垂直的单轴集中荷载考虑,其大小为单轨车辆设计荷载单轴轴重的25%。(3)风荷载无车时风压Ｗ1=0．845ｋＰａ,有车时风压Ｗ2=0．8ｋＰａ,Ｗ1=0．676ｋＰａ。根据《铁路桥涵设计基本规范》(ＴＢ10002．1—99)得到:基本风压Ｗ0=500Ｐａ、Ｋ1=1．3、Ｋ2=1．3(Ｈ=50ｍ)、Ｋ3=1．0;无车时风压Ｗ1=Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｗ0=845Ｐａ。(4)温度混凝土结构随温度升降用月平均气温为参照来确定,取+20℃,混凝土收缩按降温15℃考虑,不均匀日照按温差5℃考虑。(5)制动荷载和启动荷载制动荷载及启动荷载是单轨车辆重心位置上作用于轨道方向的力,取单轨车辆设计荷载的15%。(6)地震烈度7度。在设计中根据《铁路工程抗震设计规范》(ＴＢＪ111—87)按7度取水平地震系数Ｋｈ=0．10。计算地震荷载时活载按定员考虑,轴重Ｐ=90ｋＮ,且不计冲击。
图3 设计荷载图式(单位:ｍｍ)
3 结构设计特点
3．1 荷载组合
(1)使用阶段荷载组合
根据《铁路桥涵设计基本规范》(ＴＢ10002．1—99)以及实际情况,确定以下6种组合。①基本组合 静荷载+动荷载+冲击荷载+离心力(或车辆横向荷载);②组合Ａ 基本组合+温度;③
组合Ｂ 基本组合+风荷载;④组合Ｃ 基本组合+风荷载+温度;⑤组合Ｄ 基本组合+风荷载+温度+纵向力;⑥组合Ｅ 基本组合+地震力。根据对上述组合进行计算的结果,得到最不利组合为⑤组合Ｄ。(2)破坏阶段荷载组合①1．3×静荷载+2．5×(动荷载+冲击荷载+离心
力+横向荷载);②1．75×(静荷载+动荷载+冲击荷载+离心力+横向荷载);③1．3×静荷载+2．5×(动荷载+冲击荷载+风荷载)。
3．2 主梁设计及预应力钢筋设置
(1)主梁设计
出段线倒Ｔ形ＰＣ轨道梁梁高2．8ｍ,上部1．85ｍ范围为适应单轨车辆走行需要,采用与标准ＰＣ轨道梁相同的空心Ｉ字形截面,梁宽0．85ｍ;考虑结构抗扭和抗倾覆需要,下部0．95ｍ梁高范围内的梁宽由支座处的4．20ｍ变化为跨中的3．00ｍ。为减小结构自重,截面挖空形成单箱多室箱形截面。两端及中间设横隔板。主梁主断面形式见图1。主梁采用Ｃ60混凝土,弹性模量Ｅｃ=3．75×104ＭＰａ。根据初步计算,由于曲线梁半径较小,结构体系为简支梁,因此梁端支座处扭矩很大,梁内侧支座出现较大拉力。经反复计算,对梁截面进行了调整,将原梁端下翼缘宽度由3．0ｍ扩大为4．2ｍ,并设置0．6ｍ的偏心。调整后内侧支座无负反力。原梁下翼缘底板,由于设置预应力钢筋导致梁下翼缘底板面积削弱,因此将原设计中底板厚度由20ｃｍ调整为25ｃｍ。(2)纵向预应力筋设置预应力筋采用7?5(公称直径15．24ｍｍ)预应力钢绞线,纵向预应力钢筋采用每束12?15．24ｍｍ与15?15．24ｍｍ两种规格的钢绞线,锚具采用ＹＭ1512和ＹＭ1515,波纹管外径分别为92ｍｍ和102ｍｍ,千斤顶采用ＹＣＬ420,锚下张拉控制应力为1320ＭＰａ。跨中断面布置见图4。
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