津濱輕軌伸縮區(qū)與固定區(qū)橋墩設計差異分析

摘　要:采用無縫線路的軌道交通伸縮區(qū)范圍內(nèi)的墩臺,將承受較固定區(qū)墩臺大得多的水平力,具體分析受力差異,并提出伸縮區(qū)墩臺設計需要注意的問題和解決方案。關鍵詞:無縫線路作用力; 伸縮區(qū); 墩臺; 設計
　　 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 無碴或有碴軌道結構,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,橋梁與長鋼軌相對位移而產(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鋼軌相對位移而產(chǎn)生的縱向力。斷軌力:因長鋼軌折斷,引起橋梁與長鋼軌相對位移而產(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有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。伸縮區(qū)在日常溫度變化時,梁軌產(chǎn)生很大的相對位移,長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、最后傳至墩臺頂?shù)纳炜s力較固定區(qū)大大增加。為考慮景觀要求、簡化施工,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、牽引力或制動力組合。
(3) 伸縮力、撓曲力按主力考慮。
(4) 行車的一線不計無縫線路作用力。
(5) 伸縮區(qū)制動墩承受的伸縮力,適當考慮本聯(lián)非制動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)范對墩頂位移的限值。
(7) 伸縮力、撓曲力作用在軌底。當檢算墩臺時移至墩臺支座鉸中心、當檢算支座時移至支座頂中心,不計移動作用點所產(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,非制動墩將與梁產(chǎn)生較大的相對位移,故可以適當考慮非制動墩支座摩阻力承擔部分伸縮力。
3 　常用跨度橋墩的伸縮力與斷軌力比較
根據(jù)有關的分析計算,采用不同的扣件阻力時,伸縮區(qū)與固定區(qū)常用跨度橋梁墩的長鋼軌縱向力結果比較,如表1 所示。

表1 　常用跨度橋梁墩的長鋼軌縱向力kN/ 軌

4 　無縫線路伸縮區(qū)內(nèi)墩臺設計應注意的問題
無縫線路上的橋梁其墩臺所受的伸縮力及斷軌力均與梁跨長度、線路縱向阻力成正比;當?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)不宜布設長聯(lián)、大跨及太高的墩臺, 避免造成設計困難、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,有條件的情況下應盡量限制相鄰聯(lián)墩的剛度差。
墩臺剛度即墩臺支承墊石頂產(chǎn)生單位縱向水平位移的水平力計算公式 K=H/Σδi Σδi=δp+δφ +δh 式中　H 作用在墩臺支承墊石頂?shù)目v向水平力,kN; δp 在H作用下,由于墩臺身彎曲引起的墩臺支承墊石頂縱向水平位移,cm; δ φ 在H作用下,由于基礎傾斜引起的墩臺支承墊石頂縱向水平位移,cm; δh 在H作用下,由于基礎平移引起的墩臺支承墊石頂縱向水平位移,cm。當伸縮區(qū)墩臺因水平力大而設計困難時,有效辦法為減短聯(lián)長、改變道床扣件形式、減小道床阻力。另外,可以采用每聯(lián)設置多制動墩,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配設。但采用多固定墩時,由于固定支座承受經(jīng)常性的溫度力作用,構造上需改進和加強。
5 　伸縮區(qū)與固定區(qū)在墩臺設計上的差異
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、混凝土壓應力及鋼筋拉應力均為無車主力控制。較高的橋墩尺寸由墩頂位移控制,為滿足混凝土壓應力允許值,較固定區(qū)提高了混凝土強度等級,在伸縮力作用下進行墩身裂縫檢算?？刂乒r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 為同樣的結構尺寸,由墩高H=12 m 特殊荷載(主力+斷軌力)控制下,混凝土及鋼筋應力滿足要求,確定橋墩結構尺寸。材料的允許應力提高系數(shù)為1.4 。墩高小于12 m 的橋墩逐漸減少配筋量,位移計算及裂縫檢算均不考慮特殊荷載,故此,固定區(qū)橋墩結構尺寸與伸縮區(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,制動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),基礎設置困難。經(jīng)研究后決定采用較小的扣件阻力Q2 ,使橋墩設計得出較為理想的結果。津濱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)的單線橋墩設計時與固定區(qū)單線橋墩擬定為同一結構尺寸,墩身配筋不同。單線墩高H >14 m 位于伸縮區(qū)時,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)設置雙制動墩,共同承受縱向水平力,減小結構尺寸。伸縮區(qū)與固定區(qū)橋墩結構尺寸見表4 。

表4 　雙線伸縮區(qū)與固定區(qū)橋墩結構尺寸

　　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 程序進行了應力分析。分析結果表明,采用固定區(qū)相應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)配設基礎大、承臺大,剛性角超出規(guī)范,對于剛性承臺要求較多。承臺配筋及承臺加臺配筋均需加強,一般由無車主力控制,鋼筋應力允許值提高系數(shù)為1. 0 。而固定區(qū)為主力+ 特殊荷載控制,鋼筋應力允許值提高系數(shù)為1. 4 ,固定區(qū)承臺大部分剛性角不超規(guī)范,承臺配筋多不需加強。
樁基設計時,由于水平主力太大,大跨較高橋墩設計時樁頭易出現(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果?？傊?津濱輕軌伸縮區(qū)內(nèi)橋墩結構滿足橋上無縫線路鋪設要求,受力合理,滿足其行車要求,外形盡量與固定區(qū)統(tǒng)一,成為都市的一道風景線。伸縮區(qū)墩臺設計,還應針對其特點,不斷總結經(jīng)驗,尤其是無縫線路作用力的計算及對墩臺的分配,應成為完整的理論體系。選擇合理的軌道結構及采用較小的扣件阻力很重要。還應根據(jù)混凝土連續(xù)梁的跨度、當?shù)刈畲鬁夭?、橋墩受力情況,合理設置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,達到安全適
注:曲線上計入離心力。用、技術先進、經(jīng)濟合理的目的。