呂耀秀 張四國 張一卓

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

1 概況

某地鐵線需要以高架橋梁的形式上跨地面公路(平面圖見圖1)，規(guī)劃的地面公路寬60 m，斷面布置為:5 m人行道+22.5 m行車道+5 m中央分隔帶+22.5 m行車道+5 m人行道，由于地面公路行車道不允許布置橋墩，故需要采用大于25 m橫向跨度能力的結(jié)構(gòu)作為高架橋梁的支撐體系，根據(jù)跨度能力及結(jié)構(gòu)所處的特殊工程部位，綜合比較后選用鋼結(jié)構(gòu)門架形式作為該處高架橋的支撐體系(見圖2)。此段需設(shè)置3個(gè)鋼門架。3個(gè)鋼門架所承受的上部荷載的作用力大小和位置不盡相同，因此對3個(gè)鋼門架分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖1 平面圖

圖2 門架立面圖

2 荷載標(biāo)準(zhǔn)

鋼門架所處位置的上部結(jié)構(gòu)為簡支箱梁，經(jīng)上部高架橋梁的計(jì)算，上部結(jié)構(gòu)恒載及活載通過支座傳到鋼門架結(jié)構(gòu)上，荷載大小詳見表1。

表1 鋼門架計(jì)算豎向荷載 kN

表1中列車豎向活載包括了列車豎向動力作用，列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數(shù)，且考慮雙線系數(shù)［1，2］。

溫度作用:升溫40℃，降溫40℃。梯度溫度0℃ ～15℃。

鋼門架柱腳沉降:一側(cè)柱腳下沉6 mm。

離心力:263 kN。

風(fēng)力:風(fēng)壓 0.6 kPa。

3 采用規(guī)范及控制因素

鋼門架設(shè)計(jì)采用TB 10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范和TB 10002.2-2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，門架橫梁上部活載撓度控制在10 mm內(nèi)，體系溫度作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力尤其是柱腳內(nèi)力不能太大，增加對基礎(chǔ)附加作用力。

4 尺寸擬定

3個(gè)鋼門架所處的地形高程不同，立柱高不相同，3個(gè)鋼門架的外形尺寸見表2。

表2 三個(gè)門架外形尺寸 m

根據(jù)鋼門架橫梁長度、立柱高度以及所承受的荷載大小及荷載作用位置的不同，3個(gè)鋼門架中鋼門架二受力最不利，對鋼門架二的斷面尺寸及板厚做如表3所示數(shù)據(jù)的初步擬定。鋼門架橫梁和立柱的斷面形式均采用單箱雙室。

表3 門架斷面外形尺寸及板厚

表4 各種斷面尺寸頂?shù)装搴?0 mm，腹板厚30 mm時(shí)最大主拉應(yīng)力、最大主壓應(yīng)力 MPa

5 計(jì)算優(yōu)化和分析

對表3所列的各種截面尺寸的門架進(jìn)行桿系單元建模計(jì)算分析。各種斷面形式的鋼門架在控制截面處橫梁撓度最大值、最大主拉、最大主壓應(yīng)力值如表4所示。

根據(jù)各種斷面尺寸時(shí)鋼門架的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出，不同尺寸對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及撓度影響較大，尤其是鋼門架橫梁處應(yīng)力和撓度。兼顧應(yīng)力大小和撓度要求，最后鋼門架二選擇用橫梁寬2.8 m，高2.5 m的截面尺寸。

但是按照柱腳反力值對基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于剛度過大造成內(nèi)力增加，從而使柱腳處反力過大對基礎(chǔ)不利，因此通過進(jìn)一步計(jì)算優(yōu)化，經(jīng)試算最終決定采取深埋措施使3個(gè)門架立柱均增高到11 m，同時(shí)將門架立柱截面的橫橋向方向?qū)挾葟脑瓉淼?.5 m減小到1.0 m，減小了柱腳處的內(nèi)力值，進(jìn)而使下部基礎(chǔ)設(shè)計(jì)順利通過。

6 門架細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

6.1 斷面構(gòu)造

將門架橫梁做成單箱雙室(見圖3)。頂?shù)装寰鶠楹?0 mm，每道腹板厚30 mm。立柱斷面選用寬2.8 m，高1.0 m，也與橫梁對應(yīng)做成單箱雙室(見圖4)，頂?shù)装搴駷?0 mm，每道腹板厚30 mm。

圖3 門架橫梁斷面圖

圖4 門架立柱斷面圖

6.2 加勁

為了防止由于局部應(yīng)力過大使得鋼門架各個(gè)板件發(fā)生局部屈曲［3］，在橫梁和立柱的頂?shù)装搴透拱迳涎刂涫抑苓叢贾瞄g距不小于50 cm的球扁鋼加勁肋;橫梁設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)間距為1.5 m的橫隔板，立柱設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)間距為1 m的橫隔板，標(biāo)準(zhǔn)橫隔板不是全斷面鋼板式，是斷面周邊板條式。在荷載作用區(qū)間加密橫隔板，加密的橫隔板為全截面板式，中間挖人孔，加密后隔板間距為0.7 m，在荷載直接作用的位置有無人洞的橫隔板，并且在此處橫隔板上繼續(xù)加勁形成荷載作用點(diǎn)處十字形加勁。

6.3 橫梁和立柱交點(diǎn)

橫梁和立柱的交點(diǎn)處腹板為L形整塊鋼板過渡(見圖5)，內(nèi)部構(gòu)造為跟其他位置相同的球扁鋼加勁，在拐角內(nèi)側(cè)設(shè)置梗腋，提高截面的抗彎剛度，減少畸變應(yīng)力，使力線過渡比較均勻，減小次內(nèi)力。

6.4 柱腳與承臺的連接

圖5 門架橫梁立柱交點(diǎn)立面圖

圖6 柱腳立面圖

柱腳與承臺的連接采用法蘭盤式的高強(qiáng)螺栓連接(見圖6，圖7)，在柱腳底承臺頂墊鋼板作為承壓板，承壓板與柱腳四周焊接，并設(shè)加勁板。承臺里預(yù)埋用于栓接的錨栓，錨栓端頭設(shè)端板。柱腳里灌注2.5 m高混凝土，通過在柱壁內(nèi)側(cè)設(shè)剪力釘和承臺里預(yù)埋的鋼筋形成整體。

圖7 柱腳平面圖

7 結(jié)語

根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的位置特殊性以及跨度要求，選擇鋼門架結(jié)構(gòu)作為此節(jié)點(diǎn)處高架橋梁的支撐，在對鋼門架的設(shè)計(jì)過程中，歸納以下幾點(diǎn):

1)鋼門架橫梁與立柱拐點(diǎn)受力復(fù)雜，是結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，因此將此節(jié)點(diǎn)處腹板做成L形的整塊鋼板過渡，使門架結(jié)構(gòu)分節(jié)段拼裝，焊縫避開受力復(fù)雜點(diǎn)而分別處于橫梁和立柱的零彎矩點(diǎn)附近。2)柱腳與承臺的連接采用法蘭盤式的高強(qiáng)螺栓連接，承壓板用于傳遞壓力，高強(qiáng)螺栓組用于傳遞出現(xiàn)的拉力。這種連接形式傳力直接，而且有比較多的工程實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)。但是這種連接形式要求承壓板與承臺混凝土結(jié)構(gòu)有足夠的面面接觸率，對施工應(yīng)強(qiáng)調(diào)混凝土表面處理，否則質(zhì)量不易保證，因此對施工質(zhì)量要提出要求。3)設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮鋼門架結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、剛度要求，也要依據(jù)剛度、內(nèi)力結(jié)合下部基礎(chǔ)的承載能力，同時(shí)應(yīng)充分考慮到高架橋梁上部所需支撐設(shè)置范圍及撓度要求來確定鋼門架外形尺寸。

［1］TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.

［2］TB 10002.2-2005，鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］張家旭，張慶芳.鋼結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.