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        鋼橫梁施工方案對(duì)鋼-混組合門式墩受力性能的影響

        2021-05-10 10:12:56陳方舟曾勇張磊馬登秋
        鐵道建筑 2021年4期
        關(guān)鍵詞:門式墩柱橫梁

        陳方舟 曾勇 張磊 馬登秋

        (1.遵義師范學(xué)院工學(xué)院,貴州遵義 563006;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031;3.無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司,江蘇無(wú)錫 214023)

        當(dāng)新建線路與既有線路交叉時(shí),往往采用加大主梁跨度的方式,但交叉角度較小時(shí),增大主梁跨度會(huì)增加新建橋梁的設(shè)計(jì)和施工難度。因此,采用門式墩能夠大大減小跨越既有線橋梁的跨度,降低施工難度,產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

        門式墩由墩柱和橫梁構(gòu)成,按橫梁結(jié)構(gòu)形式劃分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)合結(jié)構(gòu);按墩柱結(jié)構(gòu)形式劃分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)合結(jié)構(gòu);按墩梁連接形式劃分為橫梁與墩柱固結(jié)、橫梁與墩柱鉸接、橫梁與墩柱一端固結(jié)一端鉸接等。門式墩采用鉸接時(shí)墩柱一般為受壓柱,受力簡(jiǎn)單,可釋放梁傳給墩柱的彎矩,但是鉸接連接構(gòu)造較復(fù)雜,造價(jià)昂貴且耐久性不好,因此鐵路橋梁門式墩常采用剛接。

        由于優(yōu)異的力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性,門式墩在實(shí)際工程中得到大量應(yīng)用,如京哈線上跨哈大客運(yùn)專線門式墩[1]、蘭州至中川機(jī)場(chǎng)線跨蘭新鐵路門式墩[2]等。既有高速鐵路門式墩常常跨越路基或低高度橋梁的線路,門式墩墩高普遍在30 m以下,30 m以上高門式墩研究較少。

        目前,國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)門式墩的受力性能及使用性能進(jìn)行了較多的設(shè)計(jì)研究。陳杰[3]對(duì)采用墩梁一次固結(jié)方式的鋼橫梁門式墩受力性能進(jìn)行了研究;商耀兆[4]結(jié)合實(shí)際工程探討了不同墩頂固結(jié)方式對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響;王樹(shù)旺[5]介紹了鋼橫梁與混凝土立柱先鉸結(jié)后剛接的體系轉(zhuǎn)換形式,提出了新型臨時(shí)支撐-鋼球鉸的理念,并闡述了墩梁結(jié)合處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù);孫智峰[6]對(duì)高速鐵路鋼箱門式墩的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究;邢懷海[7]對(duì)鋼梁與鋼筋混凝土橋墩剛節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究和分析,并介紹了常用的連接方式;陳亮[8]和萬(wàn)明[9]結(jié)合實(shí)際工程探討了地質(zhì)參數(shù)m值對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響,發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)剛度對(duì)門式墩內(nèi)力有較大影響;荀嘉雷[10]對(duì)京石客運(yùn)專線左聯(lián)特大橋38.5 m 混凝土實(shí)心墩柱框架墩進(jìn)行了驗(yàn)算和動(dòng)力仿真分析。盡管這些文獻(xiàn)研究分析了橫梁、墩柱連接方式對(duì)門式墩受力性能的影響,但是缺乏橫梁施工方案對(duì)門式墩具體受力性能的對(duì)比分析,以及墩梁固結(jié)時(shí)機(jī)對(duì)橫梁、墩柱受力性能的影響分析。橫梁的不同施工方案使得門式墩結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化,會(huì)導(dǎo)致門式墩結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力特性較為復(fù)雜。

        本文以江蘇南沿江城際鐵路跨越寧杭高速鐵路橋梁為研究對(duì)象,綜合分析墩柱、橫梁的施工方案對(duì)門式墩受力性能的影響。

        1 工程實(shí)例

        1.1 工程概況

        江蘇南沿江城際鐵路跨越寧杭高速鐵路橋梁上鋪設(shè)有砟軌道,線間距5.0 m,設(shè)計(jì)速度350 km/h,城際鐵路與寧杭高速鐵路斜交角度為6°。為減小對(duì)既有線路的影響,若采用大跨度橋梁跨越既有線路,則跨度為128 m,且墩高達(dá)35 m;若采用門式墩,橫梁跨度僅需26 m 即可滿足相關(guān)要求。為保證寧杭高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全,橫梁采用鋼橫梁結(jié)構(gòu),墩柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),采用現(xiàn)澆墩柱、整體吊裝橫梁的施工方式。門式墩布置如圖1所示。

        圖1 門式墩布置(單位:cm)

        1.2 結(jié)構(gòu)介紹

        上部結(jié)構(gòu)為24 m 單箱單室截面簡(jiǎn)支箱梁,橋面寬12.6 m,梁高3.052 m,支座中心距4.5 m,采用預(yù)制架設(shè)的施工方式。門式墩橫橋向計(jì)算跨度26 m,高35 m,墩柱為矩形空心截面,橫橋向采用等坡形式,縱橋向采用變坡形式,具體構(gòu)造如圖2所示。

        圖2 門式墩構(gòu)造(單位:cm)

        鋼橫梁采用Q370qE 鋼材。頂?shù)装逶O(shè)置3 道加勁板肋,間距850 mm;腹板設(shè)置2 道加勁板肋,間距1728 mm;加勁肋尺寸為240 mm×24 mm。鋼橫梁內(nèi)部每隔2 m 設(shè)置1 道橫隔板,并在支座處對(duì)橫隔板加強(qiáng)處理。普通截面和橫隔板處截面如圖3所示。

        圖3 普通截面和橫隔板處截面(單位:mm)

        墩柱與橫梁采用鋼混結(jié)合段剛性連接的方式,立柱采用C35 混凝土,內(nèi)側(cè)、外側(cè)配單排HRB400 鋼筋,直徑28 mm,間距10 cm。柱頂處設(shè)置1 m 外包鋼板,鋼板厚32 mm,鋼板內(nèi)為現(xiàn)澆混凝土,通過(guò)剪力釘與墩柱頂相連。柱頂構(gòu)造如圖4所示。

        圖4 柱頂構(gòu)造

        2 設(shè)計(jì)荷載

        2.1 恒載

        1)結(jié)構(gòu)自重??蚣茏灾兀簷M梁鋼材重度取78.5 kN/m3,考慮焊縫的重量及施工臨時(shí)荷載,自重系數(shù)取1.1;墩柱混凝土重度取26 kN/m3。上部簡(jiǎn)支梁恒載:按照簡(jiǎn)支梁的恒載反力加載,見(jiàn)表1。

        表1 簡(jiǎn)支梁恒載反力 kN

        2)混凝土收縮徐變。參考JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[11]第4.2.4條計(jì)算。

        3)基礎(chǔ)變位影響力。單柱底不均勻沉降按1 cm考慮。

        2.2 活載

        1)列車活載。采用ZK-活載進(jìn)行計(jì)算,不同工況下活載反力見(jiàn)表2。其中,以壓力為正。

        表2 簡(jiǎn)支梁活載反力 kN

        2)離心力和橫向搖擺力。按TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]第7.2.11~7.2.12條計(jì)算。

        2.3 附加力

        1)制動(dòng)力或牽引力。按TB 10621—2014 第7.2.13條計(jì)算。

        2)風(fēng)荷載。按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]第4.4.1 條計(jì)算,基本風(fēng)壓值W0為500 Pa,各部位風(fēng)荷載強(qiáng)度見(jiàn)表3。

        表3 各部位風(fēng)荷載強(qiáng)度 Pa

        3)溫度作用。溫度梯度:根據(jù)BS5400英國(guó)橋梁規(guī)范計(jì)算,橫梁豎向升溫、降溫梯度分別為24,6 ℃,均按折線計(jì)。整體升降溫:墩柱整體升溫25 ℃,降溫30 ℃;鋼橫梁整體升溫40 ℃,降溫45 ℃。日照溫差:左右立柱溫差為5 ℃。

        2.4 施工荷載

        考慮運(yùn)梁車、架橋機(jī)工況,產(chǎn)生的支點(diǎn)反力見(jiàn)表4。

        表4 支點(diǎn)反力 kN

        2.5 長(zhǎng)鋼軌縱向力

        伸縮力按40 kN/軌計(jì)算,斷軌力按590.4 kN/軌計(jì)算。

        2.6 荷載組合

        根據(jù)主力、主力+附加力、主力+特殊荷載進(jìn)行荷載組合,見(jiàn)表5。

        表5 荷載組合

        3 有限元模型建立

        3.1 基礎(chǔ)剛度

        根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料計(jì)算基礎(chǔ)等效剛度,樁基布置形式為10根直徑1.25 m,縱橋向和橫橋向水平剛度分別為7.21×105,9.17×105kN/m,豎向剛度為8.52×106kN/m,橫橋向和縱橋向彎曲剛度分別7.13×107,1.31×108kN·m/rad,扭轉(zhuǎn)剛度為1.93×107kN·m/rad。

        3.2 有限元模型

        采用有限元軟件MIDAS/Civil 建立全橋三維空間有限元模型(圖5),全橋墩柱、橫梁均采用空間梁?jiǎn)卧M。

        圖5 有限元模型

        4 結(jié)果分析

        4.1 施工方案

        根據(jù)墩柱、橫梁及上部結(jié)構(gòu)的施工順序,施工方案可分為3 種情況:①墩梁一次固結(jié)。施工順序?yàn)闈仓罩茉O(shè)橫梁(墩梁鉸接)→轉(zhuǎn)化體系(墩梁固結(jié))→架設(shè)主梁→運(yùn)梁→主梁橋面系施工→成橋。②墩梁先鉸接后固結(jié)1。施工順序?yàn)闈仓罩茉O(shè)橫梁(墩梁鉸接)→架設(shè)主梁→轉(zhuǎn)化體系(墩梁固結(jié))→運(yùn)梁→主梁橋面系施工→成橋。③墩梁先鉸接后固結(jié)2。施工順序?yàn)闈仓罩茉O(shè)橫梁(墩梁鉸接)→架設(shè)主梁→運(yùn)梁→主梁橋面系施工→轉(zhuǎn)化體系(墩梁固結(jié))→成橋。

        4.2 橫梁應(yīng)力結(jié)果

        根據(jù)不同施工方案對(duì)鋼橫梁主力、主力+附加力下的正應(yīng)力、剪應(yīng)力及換算應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。可知:不同施工方案對(duì)橫梁剪應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響;墩梁先鉸接后固結(jié)時(shí)橫梁截面正應(yīng)力、換算應(yīng)力均大于墩梁一次固結(jié),且增幅明顯;不同施工方案下鋼橫梁應(yīng)力滿足TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]的要求。從橫梁受力的角度而言,墩梁一次固結(jié)優(yōu)于墩梁先鉸接后固結(jié)。

        4.3 墩柱內(nèi)力結(jié)果

        根據(jù)不同施工順序?qū)Χ罩捉孛嬷髁?、主?附加力下的內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7??芍憾樟合茹q接后固結(jié)時(shí)墩身橫向彎矩均小于墩梁一次固結(jié);僅考慮墩柱受力的情況時(shí),墩柱先鉸接后固結(jié)優(yōu)于墩梁一次固結(jié),二期恒載在墩梁固結(jié)前施工優(yōu)于二期恒載在墩梁固結(jié)后施工。

        表6 橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

        表7 墩柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

        5 結(jié)論

        1)不同施工方案和荷載工況下鋼橫梁應(yīng)力滿足TB 10091-2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求。

        2)鋼橫梁不同施工方案對(duì)門式墩整體受力性能有較大影響,架梁完成后實(shí)施墩梁固結(jié)可保證橫梁受力的合理性,減少對(duì)后期工序的影響。

        3)墩梁先鉸接后固結(jié)的施工方案有利于改善墩柱受力性能,該施工方案已應(yīng)用于江蘇南沿江鐵路工程中。

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