于維汗
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)
太中(銀)鐵路為Ⅰ級(jí)電氣化鐵路,全線鋪設(shè)無縫線路有砟軌道,并預(yù)留200 km/h速度條件。其起自太原南站,西達(dá)寶蘭線中衛(wèi)站、銀川站,沿線橫穿山西、陜西、寧夏3個(gè)省和23個(gè)縣市區(qū),是西北地區(qū)通往東部最便捷的通道,其建成對于西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施具有重要的促進(jìn)作用。太中(銀)鐵路子洲站中心里程為DK292+850,車站范圍位于307國道與大理河之間的河灘上,由于太原端為跨越大理河及青銀高速公路設(shè)子洲大理河特大橋,從而導(dǎo)致車站太原側(cè)咽喉區(qū)位于橋上,包括一組八字渡線和2組單開并置12號(hào)道岔,如圖1所示。
圖1 太中銀鐵路子洲站平面示意
(1)線路等級(jí):國鐵Ⅰ級(jí);
(2)股道布置:中間正線2條,兩側(cè)到發(fā)線2條;正線線間距5.0 m,到發(fā)線與正線線間距分別由道岔處相并漸變至5.0 m,其中道岔心軌根端距正線2.09 m;
(3)線路坡度:1.0‰;
(4)設(shè)計(jì)活載:中-活載;
(5)軌道形式:重型軌道標(biāo)準(zhǔn),有砟軌道,鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路;
(6)地震力:地震動(dòng)峰值加速度0.05g;
(7)設(shè)計(jì)行車速度:客車 200 km/h,貨車 120 km/h。
(8)二期恒載:包括鋼軌、扣件、軌枕、道砟、保護(hù)層、擋砟墻、人行道等,由最窄端195 kN/m線性漸變至最寬端364 kN/m。
道岔結(jié)構(gòu)通常設(shè)置在軌道伸縮區(qū),由于橋上無縫道岔與橋梁本身之間相互作用機(jī)理較為復(fù)雜,故為了盡量減少兩者耦合計(jì)算自由度和梁縫處受力突變,需滿足以下基本邊界條件:
(1)整組道岔所在橋面應(yīng)為整體式結(jié)構(gòu),并且每組道岔宜鋪設(shè)在同一聯(lián)梁上;
(2)尖軌尖端及心軌根端距離梁縫不小于18 m;道岔轉(zhuǎn)轍器及轍叉部分、道岔的導(dǎo)曲線部分不跨越梁縫。
(3)道岔布置以盡量減小橋梁溫度跨度為原則,以避免設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。
(4)中-活載作用下,梁體豎向撓度不大于L/5 000(L為橋梁跨度),3 m梁段范圍內(nèi)一線2根鋼軌的豎向相對變形量t<3.0 mm,梁端豎向折角<1.0‰。
(5)列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力作用下,梁體水平撓度不大于梁體計(jì)算跨度的L/4 000。
另外,橋面寬度在構(gòu)造上除需滿足股道布置要求外,還要滿足裝設(shè)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)限界要求,即在道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)布置范圍內(nèi),從擋砟墻內(nèi)側(cè)邊緣起至相鄰線路中心距離需由區(qū)間正線的不小于2.2 m加寬至不小于3.2 m;橋梁加寬后的外側(cè)電纜槽道與其兩端未加寬段的電纜槽道應(yīng)保持貫通,電纜槽道銜接處要求平面夾角大于120°,以便于養(yǎng)護(hù)維修,見圖2。
圖2 雙線變四線無縫道岔設(shè)置要求
為滿足無縫線路設(shè)置道岔的要求,在雙線變四線道岔區(qū)采用1聯(lián)3×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,梁全長98.0 m。梁體為單箱三室、等高度、箱體變寬的中間直腹板、外側(cè)斜腹板箱梁結(jié)構(gòu),梁高2.80 m,高跨比1∶11.68,箱梁頂板寬12.06~22.06 m,在大里程端為與簡支T梁人行道相接,橋面每側(cè)局部加寬0.4 m,一般底板寬8.22~14.96 m,支點(diǎn)處底板每側(cè)加寬0.42 m,頂板厚度30 cm,底板厚度由30 cm變化至60 cm,腹板厚度由跨中處的50 cm按直線變化至支點(diǎn)處80 cm,梁體在端部和墩頂處共設(shè)置了4道橫隔板,梁端橫隔板厚度1.5 m,墩頂處橫隔板厚度2.0 m。為方便檢查人員,橫隔板上均設(shè)過人孔洞。梁體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 3×32 m連續(xù)梁立面及梁端截面(單位:cm)
(1)由于要滿足雙線變四線的過渡,勢必造成連續(xù)梁全聯(lián)范圍內(nèi)橋面寬度有較大變化,加上局部構(gòu)造加寬要求,使得橋面外輪廓控制包線棱角分布較多。本著外觀簡潔、結(jié)構(gòu)受力合理、簡化設(shè)計(jì)的原則,并考慮既便于施工又不增加較大工程量的因素,最終將橋面統(tǒng)一成平順變化的梯形,如圖4所示。
圖4 3×32 m連續(xù)梁橋面優(yōu)化情況(單位:cm)
(2)關(guān)于腹板沿橋長方向的分布,對比了以下4種情況:
①中間直腹板平行、外側(cè)斜腹板扇形分布,懸臂等寬;
②中間直腹板平行、外側(cè)斜腹板扇形分布,懸臂變寬;
③中間直腹板及外側(cè)斜腹板均扇形分布,懸臂等寬;
④中間直腹板及外側(cè)斜腹板均扇形分布,懸臂變寬。
根據(jù)橫向計(jì)算和經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果,并適當(dāng)考慮本連續(xù)梁同兩側(cè)相鄰梁跨間銜接的美觀效果,最終采用④方案,如圖5所示。
圖5 3×32 m連續(xù)梁腹板構(gòu)造(單位:cm)
為了減少梁體位移對道岔的影響,對于單箱多室變截面連續(xù)梁的橫向支座布置尤其重要。通??v向上固定支座宜設(shè)置在道岔中間,通過合理的調(diào)整孔跨布置使道岔前后不設(shè)鋼軌調(diào)節(jié)器;橫向支座布置應(yīng)結(jié)合各線的相對位置關(guān)系,對因溫度變化引起的梁縫處鋼軌可能產(chǎn)生的橫向變位進(jìn)行控制,盡量減小溫度跨度。對于扇形分布的截面來說,斜置腹板下支座的控制位移方向也是需要探討的問題。
取圖6所示支座布置,即64、65、67號(hào)墩上的各支座均為多向活動(dòng)支座,66號(hào)墩上設(shè)固定支座和橫向活動(dòng)支座,各支座均設(shè)于腹板中心線下,考察在外荷載作用下支座的運(yùn)動(dòng)方向,主要是與固定支座相連的同一直線上的多向活動(dòng)支座的運(yùn)動(dòng)方向(圖中支座節(jié)點(diǎn)2076、2004、3285)。通過建立空間實(shí)體元模型,活載加載方式為全橋長范圍的單線或雙線均布載,支座的計(jì)算位移見表1。
圖6 3×32 m連續(xù)梁支座類型及布置方式1
表1 支座位移計(jì)算結(jié)果1
由表1中數(shù)據(jù)可以看出。
(1)整體升降溫時(shí),各支座位移的方向(斜度)有一定的規(guī)律,即沿各自與固定支座連線的方向呈放射狀變化。
(2)3285號(hào)支座處橋面較寬,支座基本位于線位下方,在均勻荷載(二期荷載、雙直線、雙曲線)作用下,支座主要是縱向位移,橫向位移很小,即位移的方向基本垂直。各活載作用下支座位移的平均方向?yàn)?271.9°。
(3)2076號(hào)支座處橋面較窄,中間兩支座間距為2.68 m,而正線的線間距為5.0 m,在均勻荷載(二期荷載、雙直線、雙曲線)作用下,支座位移的方向?yàn)?8.2°,偏離與固定支座的連線方向2.4°,說明荷載作用時(shí)2076支座產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn),使支座方向發(fā)生了改變。各活載作用下支座位移的平均方向?yàn)?2.7°。
(4)2004號(hào)支座處于2076號(hào)支座與固定支座之間,中間兩支座間距為3.45 m,也在兩正線線位的內(nèi)側(cè),在均勻荷載(二期荷載、雙直線、雙曲線)作用下,支座位移的方向?yàn)?70.5°,偏離與固定支座的連線方向1.1°,荷載作用時(shí)2004號(hào)支座產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形小于2076號(hào)支座。各活載作用下支座位移的平均方向?yàn)?272.4°。
(5)3個(gè)支座除溫度變形外,其他荷載作用下的變形沒有共同的活動(dòng)方向,說明由于支座間距的不同,和支座與橋面上線路的相對位置關(guān)系、岔線出岔位置的不同,使荷載作用時(shí)各支座處的變形方向規(guī)律性不大。
(6)3個(gè)支座的橫向位移有正有負(fù),在各荷載組合工況下最大的橫向位移量為0.01+0.10+0.11=0.22 mm,數(shù)值較小,遠(yuǎn)小于最大縱向位移量0.34+8.97+0.35=9.66 mm。
取圖7所示支座布置,即3247號(hào)支座為固定支座,其余支座均為多向活動(dòng)支座,各支座均設(shè)于腹板中心線下,考察在外荷載的作用下支座的運(yùn)動(dòng)方向,主要是與固定支座相連的橫向各支座的運(yùn)動(dòng)方向(圖中支座節(jié)點(diǎn)3242、3254、3259),通過建立空間實(shí)體元模型,支座的計(jì)算位移見表2。
圖7 3×32 m連續(xù)梁支座類型及布置方式2
表2 支座位移計(jì)算結(jié)果2 mm
由表中數(shù)據(jù)可以看出。
(1)恒載和活載作用下3個(gè)支座的縱、橫向位移均很小,不控制設(shè)計(jì)。
(2)支座位移主要是由于溫度變化引起的,整體升、降溫25℃時(shí),支座的活動(dòng)主要是以橫向位移為主。
通過分析各工況下支座位移的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出,順橋向與固定支座同一直線上的各支座最大橫向位移為0.22 mm,數(shù)值較小,遠(yuǎn)小于縱向活動(dòng)量,因此設(shè)計(jì)為縱向活動(dòng)支座;而橫橋向與固定支座同一直線上的各支座主要以橫向位移為主,縱向位移微小,因此,設(shè)計(jì)采用橫向活動(dòng)支座;其余支座均采用多向活動(dòng)支座,如圖8所示。
圖8 3×32 m連續(xù)梁支座布置示意(單位:cm)
(1)變寬道岔連續(xù)梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)根據(jù)無縫線路的構(gòu)造要求、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)限界要求及簡化設(shè)計(jì)需要等條件綜合考慮,力求構(gòu)造簡單、合理、施工方便。
(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,證明對于本3×32 m連續(xù)梁,斜置腹板的支座布置成垂直于橫隔板方向是可行的,也是合理的。
(3)當(dāng)腹板與隔板斜交法向角較大時(shí),建議對順橋向與固定支座同一連線上的各支座位移進(jìn)行綜合計(jì)算。若其橫向位移較為控制,可考慮將支座縱向活動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)整,使之與固定支座連線重合,雖然結(jié)構(gòu)計(jì)算與構(gòu)造均更為復(fù)雜,但可抵消支座的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),對結(jié)構(gòu)安全有利。
[1]左家強(qiáng).太中銀鐵路橋梁設(shè)計(jì)綜述[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(12):33-41.
[2]中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.
[3]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)函[2005]285號(hào)新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國鐵道出版社,2005.
[4]鐵道科學(xué)研究院.鐵建設(shè)函[2003]205號(hào) 新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國鐵道出版社,2003.
[5]戴勝勇,陳列,袁明.武廣客運(yùn)專線白家望2號(hào)大橋無砟軌道無縫道岔梁設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(1):34-37.
[6]蔡云標(biāo).客運(yùn)專線無縫道岔梁幾個(gè)設(shè)計(jì)問題的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(7):35-39.
[7]鐵道部第二勘測設(shè)計(jì)院.預(yù)應(yīng)力混凝土道岔梁[M].北京:中國鐵道出版社,1981.
[8]陳玉.京滬高速鐵路新蘇州站道岔區(qū)橋式布置方案研究[J].鐵道勘測與設(shè)計(jì),2005(5):29-33.
[9]何濤.哈大線沈哈段道岔區(qū)橋梁設(shè)計(jì)[J].科技交流,2007(4):30-39.
[10]陳堃.鄭西客專新渭南高架車站橋梁方案設(shè)計(jì)[J].科技交流,2007(4):12-17.
[11]王召祜.客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2005(4):26-29.
[12]徐慶元,周小林,陳秀方.軌道參數(shù)對無縫道岔組合效應(yīng)的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2003(2):7-10.