津濱輕軌伸縮區與固定區橋墩設計差異分析

摘　要:采用無縫線路的軌道交通伸縮區范圍內的墩臺,將承受較固定區墩臺大得多的水平力,具體分析受力差異,并提出伸縮區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; 墩臺; 設計
　　 1 　概述
天津市區至濱海新區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節器。伸縮區在日常溫度變化時,梁軌產生很大的相對位移,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、最后傳至墩臺頂的伸縮力較固定區大大增加。為考慮景觀要求、簡化施工,伸縮區的橋墩尺寸要盡可能與固定區接近,這是一個很大的矛盾。
2 　伸縮區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) 伸縮區制動墩承受的伸縮力,適當考慮本聯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生的豎向力或力矩。
從荷載的角度伸縮區與固定區的最大區別是伸縮區不考慮斷軌力,但伸縮力數值大很多。另外,由于伸縮力數值大,非制動墩將與梁產生較大的相對位移,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
根據有關的分析計算,采用不同的扣件阻力時,伸縮區與固定區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 　無縫線路伸縮區內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;當地最大溫度變化值也是決定無縫線路縱向水平力的重要因素。因此,一般伸縮區內不宜布設長聯、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調、增加工程投資及影響美觀。由于相鄰聯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墩的剛度差。
墩臺剛度即墩臺支承墊石頂產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的縱向水平力,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。當伸縮區墩臺因水平力大而設計困難時,有效辦法為減短聯長、改變道床扣件形式、減小道床阻力。另外,可以采用每聯設置多制動墩,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常性的溫度力作用,構造上需改進和加強。
5 　伸縮區與固定區在墩臺設計上的差異
伸縮區內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。控制工況的荷載組合見表2 。

表2 　直曲線上雙線伸縮區控制工況

固定區橋墩,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,固定區橋墩結構尺寸與伸縮區相比, 可以減小很多。雙線固定區控制工況見表3 。

表3 　直曲線上雙線固定區控制工況

雙線多梁跨位于伸縮區時,制動墩承受縱向水平力太大,墩型不能與一般區段橋墩相協調,基礎設置困難。經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,伸縮區的單線橋墩設計時與固定區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 位于伸縮區時,由于需要的墩身尺寸大大超過固定區的單線墩,故每聯設置雙制動墩,共同承受縱向水平力,減小結構尺寸。伸縮區與固定區橋墩結構尺寸見表4 。

表4 　雙線伸縮區與固定區橋墩結構尺寸

　　由于墩身尺寸的加大,減小了伸縮區橋墩頂帽懸臂尺寸,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。伸縮區配設基礎大、承臺大,剛性角超出規范,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為1. 0 。而固定區為主力+ 特殊荷載控制,鋼筋應力允許值提高系數為1. 4 ,固定區承臺大部分剛性角不超規范,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上拔力或墩頂位移超出,采用了增大樁間距或增加樁根數的辦法取得了較為滿意的結果。總之,津濱輕軌伸縮區內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,外形盡量與固定區統一,成為都市的一道風景線。伸縮區墩臺設計,還應針對其特點,不斷總結經驗,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。還應根據混凝土連續梁的跨度、當地最大溫差、橋墩受力情況,合理設置鋼軌伸縮調節器,達到安全適
注:曲線上計入離心力。用、技術先進、經濟合理的目的。