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        鐵路鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩設(shè)計(jì)研究

        2021-01-18 08:15:28
        高速鐵路技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:角隅門式鋼混

        余 浪 羅 艷

        (1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031;2.成都理工大學(xué), 成都 610059)

        隨著我國鐵路的快速發(fā)展,城市內(nèi)尤其是鐵路樞紐內(nèi)經(jīng)常會出現(xiàn)新建鐵路橋梁跨越既有線的情況,此時(shí)采用門式墩跨越是一種較為安全、穩(wěn)妥的方法。目前,鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩越來越被廣泛采用,該組合門式墩的優(yōu)點(diǎn)是鋼蓋梁較輕,可分段工廠制造,運(yùn)到橋位拼接成整體后,在鐵路窗口時(shí)間一次吊裝到位,施工速度快,對既有鐵路干擾較少,可有效降低施工難度及對運(yùn)營安全的影響,應(yīng)用前景非常廣泛。但此類結(jié)構(gòu)為鋼混組合結(jié)構(gòu),受力復(fù)雜,結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與普通混凝土門式墩不同,且研究成果較少[1-9],有必要對其結(jié)構(gòu)形式和受力情況進(jìn)行研究。

        1 基本模型

        某單線鐵路橋梁,設(shè)計(jì)速度200 km/h。梁部采用部頒標(biāo)準(zhǔn)2201系列32 m簡支T梁,采用鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩下跨越既有鐵路,鋼蓋梁中心跨度21 m,墩柱高9 m,鋼蓋梁尺寸2.5 m×2 m(橫×豎),墩柱尺寸3.5 m×3 m(橫×豎),鋼蓋梁采用Q345qD,混凝土標(biāo)號為C35,梁柱兩端固結(jié)的組合門式墩構(gòu)造如圖1所示。

        圖1 梁柱固結(jié)的組合門式墩構(gòu)造圖(cm)

        采用有限元軟件Midas Civil建立模型,模型選取梁單元,結(jié)構(gòu)承臺底邊界按固結(jié)考慮,墩柱連接按實(shí)際邊界條件考慮。荷載考慮(1)恒載:自重+二恒;(2)活載:ZKH;(3)溫度:整體升溫30 ℃;(4)地震:場地類別為Ⅲ類,八度地震反應(yīng)譜(0.2g)。

        2 梁柱約束體系

        組合門式墩的鋼蓋梁和混凝土柱之間的約束體系主要有兩端固結(jié)、一鉸一活動和一固一活動3種方案。

        兩端固結(jié)方案的鋼蓋梁構(gòu)造相對復(fù)雜,梁柱需當(dāng)做整體設(shè)計(jì)。溫度荷載對門式墩影響較大,當(dāng)墩高1 m時(shí),鋼蓋梁角隅處溫度應(yīng)力達(dá)100 MPa。因此,兩端固結(jié)方案不宜在橋墩很矮的情況下采用。

        一鉸一活動方案構(gòu)造簡單,梁柱可分開設(shè)計(jì),鋼蓋梁按承受集中力的簡支鋼箱梁設(shè)計(jì),混凝土柱按普通橋墩方法設(shè)計(jì)。溫度荷載只會引起位移變化,無受力變化,適用于任何墩柱高度。

        一固一活動方案介于兩者之間,不再進(jìn)一步分析比較,一固一活動方案適合橫向地形高差較大,一邊墩高一邊墩很矮的情況。

        根據(jù)基本模型計(jì)算兩端固結(jié)方案和一鉸一活動方案主力(恒+活)下的應(yīng)力和活載下的撓度情況,結(jié)果對比如表1所示。

        表1 方案計(jì)算結(jié)果對比表

        由表1可知,與一鉸一活動方案相比,兩端固結(jié)方案鋼梁最大應(yīng)力減小35%,混凝土應(yīng)力減小26%,撓度減小60%左右。

        綜上所述,梁柱兩端固結(jié)方案最優(yōu),該方案剛度大,應(yīng)力水平低,用鋼量較省,鐵路尤其是高速鐵路應(yīng)優(yōu)先采用。溫度荷載對梁柱兩端固結(jié)方案影響較大,因此,混凝土柱不宜過矮,線路標(biāo)高不宜距離地面太低,以防導(dǎo)致門式墩設(shè)計(jì)困難。

        3 鋼蓋梁跨高比對門式墩撓度的影響

        引入跨高比K1,對梁柱兩端固結(jié)的組合門式墩作進(jìn)一步分析。

        K1=L/h

        (1)

        式中:h——鋼箱高度;

        L——鋼箱跨度。

        鋼蓋梁一般是剛度控制設(shè)計(jì),應(yīng)力水平可通過加大鋼箱板厚度來滿足要求。根據(jù)基本模型,通過變化鋼蓋梁鋼箱高度來調(diào)整跨高比,分析跨高比對撓度的影響,得出活載作用下?lián)隙扰c跨高比的關(guān)系曲線如圖2所示。

        圖2 活載下豎向撓度與跨高比的關(guān)系曲線圖

        從圖2可以看出,鋼蓋梁最大撓度隨跨高比的減小而減小,并逐步趨于穩(wěn)定,考慮到鋼蓋梁撓度還需與梁部撓度疊加,鋼蓋梁最大撓度宜在毫米級以內(nèi),跨高比取值范圍7~10,可有效控制鋼蓋梁最大撓度。列車時(shí)速越高,跨高比取值應(yīng)越小。

        4 混凝土柱高寬比對門式墩受力的影響

        引入混凝土柱高寬比K2,對梁柱兩端固結(jié)的組合門式墩作進(jìn)一步分析。

        K2=H/b

        (2)

        式中:H——混凝土柱高度;

        b——混凝土柱受力方向?qū)挾取?/p>

        根據(jù)基本模型,通過變化混凝土柱高度來調(diào)整高寬比,由于墩頂軸力小,墩底軸力大,墩頂彎矩可能控制墩柱設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

        4.1 高寬比對主力的影響

        研究高寬比對主力的影響,得出主力下的彎矩效應(yīng)與高寬比的關(guān)系曲線如圖3所示。

        圖3 主力下梁柱彎矩與高寬比的關(guān)系曲線圖

        從圖3可以看出,鋼蓋梁和墩頂彎矩?cái)?shù)值變化不大,高寬比的變化對鋼蓋梁和墩頂影響不大,墩底彎矩均未超過墩頂彎矩,墩頂彎矩控制設(shè)計(jì)。墩底受高寬比影響較大,高寬比為3時(shí),墩底彎矩處于最小值,高寬比>2時(shí),墩底彎矩可維持在較低水平。隨著高寬比增大,鋼蓋梁和墩頂彎矩均緩慢減小。

        4.2 高寬比對溫度荷載的影響

        分析高寬比對溫度荷載的影響,得出溫度荷載下的彎矩效應(yīng)與高寬比的關(guān)系曲線如圖4所示。

        圖4 溫度荷載下梁柱彎矩與高寬比的關(guān)系曲線圖

        從圖4可以看出,鋼蓋梁彎矩?cái)?shù)值變化不大,高寬比的變化對鋼蓋梁影響不大。溫度對墩底彎矩影響較大,高寬比較小即橋墩較矮時(shí),墩頂彎矩較大,相應(yīng)的角隅處及鋼混結(jié)合段受力較大。高寬比>3時(shí),墩頂彎矩可維持在較低水平,高寬比為1~2時(shí),墩底彎矩?cái)?shù)值最高,高寬比>3后,彎矩迅速減小。

        4.3 高寬比對地震力的影響

        研究高寬比對地震力的影響,計(jì)算罕遇地震下梁柱彎矩,得出地震力下的彎矩效應(yīng)與高寬比的關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。

        圖5 橫向罕遇地震力下梁柱彎矩與高寬比的關(guān)系曲線圖

        圖6 縱向罕遇地震力下梁柱彎矩與高寬比的關(guān)系曲線圖

        從圖5、圖6可以看出,鋼蓋梁及墩頂彎矩?cái)?shù)值較低,且變化不大。隨著高寬比變大,墩頂彎矩在橫向罕遇地震力作用下逐漸加大,縱向罕遇地震力作用下逐漸減小,高寬比<5時(shí),墩頂彎矩可維持在較低水平。墩底彎矩隨著高寬比的增大而增大。

        綜上所述,梁柱兩端固結(jié)組合門式墩位于非地震區(qū)時(shí),高寬比宜>3且應(yīng)取高值;位于地震區(qū)時(shí),高寬比宜在3~5之間且應(yīng)取低值。

        5 梁柱固結(jié)組合門式墩的關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

        鋼蓋梁角隅和墩柱鋼混連接部位是梁柱兩端固結(jié)組合門式墩兩個非常重要的部位,傳遞荷載較大,傳力機(jī)理復(fù)雜且局部應(yīng)力集中。為確保組合門式墩的安全,參考日本及國內(nèi)公路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),進(jìn)行角隅和墩柱鋼混連接部位的構(gòu)造設(shè)計(jì)。

        5.1 角隅部位設(shè)計(jì)

        角隅的作用是將鋼蓋梁的荷載順利傳遞到混凝土墩柱上,角隅構(gòu)造為空間矩形體,構(gòu)造簡單,傳力清晰。角隅設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是各板之間的斷開處理方式,本文提出兩種斷開處理方式:

        (1)頂板、腹板和內(nèi)外豎板連續(xù),底板在角隅內(nèi)豎板左右斷開,腹板和內(nèi)豎板均為整板,傳力連續(xù),底板主要受壓。此種斷開方式焊縫數(shù)量少,焊接工作量小。

        (2)底板連續(xù),腹板和內(nèi)豎板在底板上下斷開,同時(shí)承受拉力和壓力。此種斷開方式焊縫數(shù)量多,焊接工作量大。

        綜上所述,底板左右斷開的處理方式優(yōu)點(diǎn)明顯,應(yīng)優(yōu)先采用,具體構(gòu)造如圖7所示。

        圖7 角隅構(gòu)造圖

        角隅構(gòu)造的腹板應(yīng)在內(nèi)豎板處倒圓角,其內(nèi)部六面均設(shè)若干倒角加勁肋,與鋼蓋梁和鋼混柱加勁肋對應(yīng),可有效減少局部應(yīng)力。角隅受力復(fù)雜,為確保角隅部位傳力勻順,底板與內(nèi)豎板之間、腹板豎板與頂板之間要求采用融透焊。

        5.2 墩柱連接部位設(shè)計(jì)

        墩柱連接部位為鋼混結(jié)構(gòu),多采用構(gòu)造成熟的鋼混梁,但組合門式墩有其自身特點(diǎn),不能照搬,需進(jìn)一步研究,本文提出兩種連接構(gòu)造。

        5.2.1插入式連接

        鋼立柱插入混凝土柱預(yù)埋,預(yù)埋深度參考JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》[10],按照不小于1.5倍鋼立柱長邊B控制,混凝土柱寬于鋼立柱50 cm左右,預(yù)埋鋼立柱內(nèi)外表面設(shè)置剪力釘,外包的混凝土柱箍筋加強(qiáng),鋼立柱內(nèi)部灌注混凝土,如圖8所示。

        圖8 插入式連接構(gòu)造圖

        鋼立柱底部依次設(shè)置承壓板、預(yù)埋鋼板和3層鋼筋網(wǎng)。預(yù)埋鋼板底設(shè)置鋼筋與混凝土柱相連,并用環(huán)氧砂漿找平,鋼蓋梁吊裝到位后,將預(yù)埋鋼板和承壓鋼板對齊,并用螺栓擰緊,起到臨時(shí)固結(jié)的作用。角隅底板還需設(shè)置灌注孔,用于灌注鋼立柱內(nèi)部混凝土。

        5.2.2錨栓式連接

        (1)構(gòu)造形式

        錨栓式連接構(gòu)造從上至下依次為錨栓支承托座、承壓板、錨栓和預(yù)埋角鋼骨架,如圖9所示。錨栓支承托座設(shè)置在鋼立柱兩側(cè),在錨栓周圍采用若干加勁板來傳遞錨栓力;承壓板設(shè)置在鋼立柱底部,承壓板鋪設(shè)3層鋼筋網(wǎng),并用環(huán)氧砂漿找平;錨栓下端預(yù)埋在混凝土柱內(nèi),上端錨固在錨栓支承托座上,下端設(shè)置若干角鋼形成骨架。

        圖9 錨桿式連接構(gòu)造圖

        錨栓上端采用雙螺母,擰緊后點(diǎn)焊。為提高外漏錨栓的耐久性,可在防腐后將錨栓螺母和支承托座用混凝土外包密閉。錨栓需后張預(yù)拉力,為了保證預(yù)壓力的有效傳遞,可在澆筑混凝土墩柱前,在螺桿表面涂抹黃油并纏繞玻璃布,以實(shí)現(xiàn)和混凝土之間的無粘結(jié)連接。

        (2)錨栓計(jì)算方法

        選取40Cr材質(zhì)、10.9S級錨栓,按抗拉極限力的35%預(yù)加張拉力。錨栓拉力計(jì)算公式為:

        (3)

        式中:Nmax——單個錨栓最大軸力(kN);

        N——最不利工況下立柱鋼混面軸力(kN);

        M——最不利工況下立柱鋼混面彎矩(kN);

        [N]——錨栓預(yù)張拉力(kN);

        n——錨栓總個數(shù);

        zi——各錨栓到鋼立柱中心距離。

        錨栓僅承受拉力,抗剪由鋼混面摩擦力抵抗,計(jì)算公式為:

        V≤[V]=0.4([N]-Nmax)

        (4)

        式中:V——最不利工況下立柱鋼混面剪力(kN)。

        按上述公式計(jì)算,承壓板能保證全截面受壓,承壓板下混凝土最大壓應(yīng)力為:

        σmax=(N+n[N])/(L×B)×(1+6e/L)≤[σ]

        (5)

        式中:σmax——承壓板混凝土最大壓應(yīng)力(kPa);

        L——承壓板長度(m);

        B——承壓板寬度(m);

        e——偏心距,e=M/N;

        [σ]——局部承壓容許力(kPa)。

        插入式和錨栓式兩種墩柱連接構(gòu)造均有工程實(shí)例。與插入式連接相比,錨栓式連接不需設(shè)置鋼混結(jié)合段,其構(gòu)造簡潔,受力明確,施工簡單,用鋼量較省,費(fèi)用較低。因此,墩柱連接部位推薦采用錨栓式連接。

        6 結(jié)論

        本文對鐵路鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩的結(jié)構(gòu)形式和受力情況進(jìn)行初步分析,得出如下結(jié)論。

        (1)梁柱兩端固結(jié)方案剛度大,應(yīng)力水平低,用鋼量較省,鐵路尤其是高速鐵路應(yīng)優(yōu)先采用。

        (2)墩柱兩端固結(jié)組合門式墩鋼蓋梁的最大撓度隨跨高比的減小而減小,并逐步趨于穩(wěn)定,跨高比取值為7~10時(shí),可有效控制鋼蓋梁最大撓度。列車時(shí)速越高,跨高比取值應(yīng)越小。

        (3)位于非地震區(qū)時(shí),墩柱兩端固結(jié)組合門式墩高寬比宜>3且應(yīng)取高值;位于地震區(qū)時(shí),高寬比宜在3~5之間且應(yīng)取低值。

        (4)角隅部位優(yōu)先采用底板左右斷開的處理方式,該斷開方式傳力連續(xù),底板主要受壓,焊縫數(shù)量少,焊接工作量小。

        (5)墩柱連接部位推薦采用錨栓式連接,構(gòu)造簡潔,受力明確,施工簡單,用鋼量較省,費(fèi)用較低。

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