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        鐵路鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩設計研究

        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.中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031;2.成都理工大學, 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)點是鋼蓋梁較輕,可分段工廠制造,運到橋位拼接成整體后,在鐵路窗口時間一次吊裝到位,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營安全的影響,應用前景非常廣泛。但此類結(jié)構(gòu)為鋼混組合結(jié)構(gòu),受力復雜,結(jié)構(gòu)細節(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)形式和受力情況進行研究。

        1 基本模型

        某單線鐵路橋梁,設計速度200 km/h。梁部采用部頒標準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)造相對復雜,梁柱需當做整體設計。溫度荷載對門式墩影響較大,當墩高1 m時,鋼蓋梁角隅處溫度應力達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,梁柱可分開設計,鋼蓋梁按承受集中力的簡支鋼箱梁設計,混凝土柱按普通橋墩方法設計。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)基本模型計算兩端固結(jié)方案和一鉸一活動方案主力(恒+活)下的應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)方案鋼梁最大應力減小35%,混凝土應力減小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,應力水平低,用鋼量較省,鐵路尤其是高速鐵路應優(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,線路標高不宜距離地面太低,以防導致門式墩設計困難。

        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計,應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。列車時速越高,跨高比取值應越小。

        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計,設計時需重點關(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,鋼蓋梁和墩頂彎矩數(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,墩頂彎矩控制設計。墩底受高寬比影響較大,高寬比為3時,墩底彎矩處于最小值,高寬比>2時,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,鋼蓋梁彎矩數(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,墩頂彎矩較大,相應的角隅處及鋼混結(jié)合段受力較大。高寬比>3時,墩頂彎矩可維持在較低水平,高寬比為1~2時,墩底彎矩數(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,計算罕遇地震下梁柱彎矩,得出地震力下的彎矩效應與高寬比的關(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,鋼蓋梁及墩頂彎矩數(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,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,高寬比宜>3且應取高值;位于地震區(qū)時,高寬比宜在3~5之間且應取低值。

        5 梁柱固結(jié)組合門式墩的關(guān)鍵部位設計

        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,傳力機理復雜且局部應力集中。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)設計細節(jié),進行角隅和墩柱鋼混連接部位的構(gòu)造設計。

        5.1 角隅部位設計

        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。角隅設計的關(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)點明顯,應優(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)造的腹板應在內(nèi)豎板處倒圓角,其內(nèi)部六面均設若干倒角加勁肋,與鋼蓋梁和鋼混柱加勁肋對應,可有效減少局部應力。角隅受力復雜,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 墩柱連接部位設計

        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,不能照搬,需進一步研究,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埋,預埋深度參考JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規(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,預埋鋼立柱內(nèi)外表面設置剪力釘,外包的混凝土柱箍筋加強,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

        鋼立柱底部依次設置承壓板、預埋鋼板和3層鋼筋網(wǎng)。預埋鋼板底設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,將預埋鋼板和承壓鋼板對齊,并用螺栓擰緊,起到臨時固結(jié)的作用。角隅底板還需設置灌注孔,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、錨栓和預埋角鋼骨架,如圖9所示。錨栓支承托座設置在鋼立柱兩側(cè),在錨栓周圍采用若干加勁板來傳遞錨栓力;承壓板設置在鋼立柱底部,承壓板鋪設3層鋼筋網(wǎng),并用環(huán)氧砂漿找平;錨栓下端預埋在混凝土柱內(nèi),上端錨固在錨栓支承托座上,下端設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。錨栓需后張預拉力,為了保證預壓力的有效傳遞,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,以實現(xiàn)和混凝土之間的無粘結(jié)連接。

        (2)錨栓計算方法

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

        (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)。

        按上述公式計算,承壓板能保證全截面受壓,承壓板下混凝土最大壓應力為:

        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)造均有工程實例。與插入式連接相比,錨栓式連接不需設置鋼混結(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,應力水平低,用鋼量較省,鐵路尤其是高速鐵路應優(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,可有效控制鋼蓋梁最大撓度。列車時速越高,跨高比取值應越小。

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

        (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,費用較低。

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