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        膠輪有軌電車高架橋梁部結(jié)構(gòu)形式研究

        2021-09-24 03:32:42滕炳杰
        現(xiàn)代城市軌道交通 2021年9期
        關(guān)鍵詞:形梁膠輪高架

        滕炳杰

        (悉地(蘇州)勘察設(shè)計顧問有限公司,江蘇蘇州 215123)

        1 前言

        隨著國內(nèi)軌道交通的蓬勃發(fā)展,越來越多的軌道交通高架線投入運營。國內(nèi)城市軌道交通項目中高架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)代表了新型交通運輸體系的興起。2001年,中國第一條高架城市軌道交通線路上海明珠線建成通車,隨后北京城市鐵路、大連市軌道交通3號線、北京地鐵八通線、天津輕軌濱海線、上海輕軌莘閔線等高架線路相繼建成通車。目前,在各大城市的軌道交通網(wǎng)中,高架線的比例不小于30%,而在各大城市修建的郊區(qū)線中高架線的比例基本維持在50%左右,可以看出,高架結(jié)構(gòu)逐漸成為城市軌道交通的重要組成部分。

        隨著多項政策的陸續(xù)出臺,我國城市軌道交通發(fā)展政策變得更加清晰,層次更加明確,制式更加多元化,有利于城市軌道交通多制式的健康發(fā)展。膠輪有軌電車填補了中國自主化城市軌道交通制式的空白,可廣泛用于大中城市主干線和超大型城市交通支線和加密線。膠輪有軌電車是有軌電車的一種類型,采用橡膠車輪,利用走行輪和設(shè)于走行輪下方、內(nèi)側(cè)的導(dǎo)向輪,實現(xiàn)在導(dǎo)軌梁上行進和轉(zhuǎn)向。以高架敷設(shè)方式為主,可采用無人駕駛技術(shù)。單向小時運量不大于10 000人次,為低運量軌道交通系統(tǒng),具有編組靈活、能耗低、噪聲小、運營維護簡便、輕量化、多樣化供電制式、獨立路權(quán)等特點。圖1 為膠輪式有軌電車高架區(qū)間效果圖。

        圖1 膠輪式有軌電車高架區(qū)間效果圖

        2 工程概況

        貴陽市有軌電車T2線一期工程起于長嶺北路與林城東路路口,止于二十六大道與白金大道路口北側(cè),主要沿長嶺北路、白金大道、天元路、鋁興路、科創(chuàng)南路及高納路敷設(shè),線路全長10.92 km,其中高架線10.72 km,地面線0.2 km,在二十六大道與科創(chuàng)北路西北側(cè)設(shè)車輛段1座。

        一期工程起點站到終點站依次為國際生態(tài)會議中心站、金珠東路站、東林寺路站、龍嶺路站、白云南路站、天元路站、艷山紅三號路站、金塘北街站、云環(huán)東路站、黎陽大道站、高納路站、高海路站、二十六大道站,共計車站13座,最大站間距1.54 km,最小站間距0.52 km,平均站間距0.89 km,均為高架島式車站。

        3 結(jié)構(gòu)體系比選

        3.1 常用結(jié)構(gòu)體系簡介

        目前,城市軌道交通橋梁使用的結(jié)構(gòu)體系主要有簡支梁、連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)。

        (1)簡支梁。簡支梁橋是梁橋中應(yīng)用最為廣泛的一種橋型,即梁的兩端擱置在支座上,支座僅約束梁的垂直位移,梁端是可自由轉(zhuǎn)動的單跨結(jié)構(gòu),如圖2所示。簡支梁受力明確、構(gòu)造簡單,最易設(shè)計為標準跨徑的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu);并且布跨靈活,施工簡單,工序少;在大面積區(qū)間范圍內(nèi)采用,由于各跨構(gòu)造和尺寸統(tǒng)一,實現(xiàn)了標準化、工廠化、機械化施工;利于維修保養(yǎng),簡化施工管理工作,降低施工費用。城市軌道交通是公共交通,一旦中斷影響極大,必須快速修通,因此簡支梁比連續(xù)梁在快速修復(fù)方面有明顯的優(yōu)勢。

        圖2 簡支梁立面布置圖(單位:m)

        (2)連續(xù)梁。連續(xù)梁為2跨或2跨以上連續(xù)的梁橋,屬于超靜定體系,在恒載作用下,由于支點負彎矩的卸載作用,跨中最大正彎矩顯著減小,如圖3所示。與相同跨度簡支梁比,梁部材料用量指標相應(yīng)較小,經(jīng)濟指標相對改善,但這種體系對收縮、徐變、溫度及支座不均勻沉降反應(yīng)比簡支梁要敏感。同時,連續(xù)梁構(gòu)造較簡支梁復(fù)雜,技術(shù)要求高,多采用現(xiàn)澆法施工, 即使采用簡支變連續(xù)施工方法也需現(xiàn)場施工作業(yè),工期較長,對周圍交通環(huán)境等影響很大,多適用于墩臺基礎(chǔ)沉降易于控制、橋梁長度短、工期較長的情況。

        圖3 連續(xù)梁體系立面布置圖(單位:m)

        (3)連續(xù)剛構(gòu)。連續(xù)剛構(gòu)在連續(xù)梁橋中,將墩身與主梁固結(jié)成一體,由于墩身與主梁形成剛架,承受上部結(jié)構(gòu)的荷載,一方面主梁受力合理,另一方面墩身在結(jié)構(gòu)上充分發(fā)揮了潛能,如圖4所示。受力特性如同連續(xù)梁,在墩頂處為負彎矩,跨中為正彎矩,設(shè)計比較靈活,可用調(diào)整梁與墩柱剛度比的方法,降低梁高。結(jié)構(gòu)的上部和下部作為一個整體承受荷載,受力較合理,桿件可設(shè)計得較細小,結(jié)構(gòu)重量輕。由于連續(xù)剛構(gòu)體系采用墩梁固結(jié)的構(gòu)造,避免了有支座體系在墩梁間設(shè)置支座而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)繁雜感。但也存在對收縮、徐變、不均勻沉降敏感,施工工期長,對周圍交通環(huán)境等影響大的問題。

        圖4 連續(xù)剛構(gòu)立面布置圖(單位:m)

        3.2 結(jié)構(gòu)體系比選

        對結(jié)構(gòu)體系進行詳細比選,比選內(nèi)容如表1 所示。連續(xù)結(jié)構(gòu)存在以下工程風(fēng)險:連續(xù)梁不均勻沉降超過設(shè)計允許值, 若沒有及時發(fā)現(xiàn), 將引起結(jié)構(gòu)開裂, 尤其是小跨度連續(xù)結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)不均勻沉降反應(yīng)敏感;支座調(diào)整的不確定性使其在施工和運營期都需要進行長期觀測、調(diào)整,工作量大;連續(xù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降控制值也在一定程度上增加基礎(chǔ)的工程量。在施工工期、施工難度、施工質(zhì)量控制、對周圍環(huán)境影響等重要方面,簡支結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢,因此在高架區(qū)間標準段推薦采用簡支結(jié)構(gòu)。

        表1 結(jié)構(gòu)體系比較表

        4 梁型比選

        膠輪有軌電車是在傳統(tǒng)有軌電車基礎(chǔ)上進行技術(shù)升級,屬于新型有軌電車系統(tǒng),采用膠輪導(dǎo)向,在梁面上運行。在膠輪有軌電車系統(tǒng)中,軌道梁既是承受車輛載荷的承重結(jié)構(gòu),又是車輛運行的軌道,其結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌制式有軌電車系統(tǒng)所采用的區(qū)間橋梁結(jié)構(gòu)形式有較大區(qū)別。

        圖5 給出了區(qū)間高架限界示意圖,由圖5可見,由于有軌電車車輛的特殊性,在梁體的腹腔內(nèi)需滿足限界要求,因此梁體需采用U形鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)。本次標準梁型比選按30 m簡支梁橋型進行比選,在技術(shù)指標均能滿足規(guī)范要求的條件下,比選H型鋼U形梁和預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁。計算采用空間有限元軟件MIDAS/Civil,對上部結(jié)構(gòu)進行靜力分析,計算模型如圖6、圖7所示。

        圖5 區(qū)間高架限界示意圖(單位:mm)

        圖6 H型鋼U形梁計算模型

        圖7 預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁計算模型

        4.1 H 型鋼 U 形梁

        4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        H型鋼U形梁跨徑30 m,梁長29.9 m,梁高1.4 m。每線的2片偏心H型鋼采用鋼橫梁連接,鋼橫梁間距1.0 m,在橫梁上鋪設(shè)花紋鋼板作為疏散平臺及檢修通道使用,其截面構(gòu)造如圖8所示。

        圖8 H型鋼U形梁截面(單位:mm)

        4.1.2 導(dǎo)軌梁豎向撓度及梁端錯縫高差計算

        活載作用下導(dǎo)軌梁跨中豎向撓度及梁端錯縫高差如表2所示,根據(jù)《膠輪有軌電車交通系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(DBJ 52/T092-2019)第10.3剛度要求,導(dǎo)軌梁在靜活載作用下,最大豎向撓度不應(yīng)大于其跨度的1/800;在活載作用下,梁端走行面錯縫高差不宜大于2 mm。計算結(jié)果表明,梁體豎向最大撓度及梁端錯縫高差均滿足規(guī)范要求。

        表2 導(dǎo)軌梁豎向撓度及錯縫梁端高差計算 mm

        4.1.3 應(yīng)力計算結(jié)果

        應(yīng)力驗算采用承載能力極限狀態(tài)法,在基本組合作用下,梁體的正應(yīng)力及剪應(yīng)力如表3所示,表中拉應(yīng)力為正值,壓應(yīng)力為負值。導(dǎo)軌梁正應(yīng)力極值為212.9 MPa,剪應(yīng)力僅為19.2 MPa;橫梁正應(yīng)力極值為177.6 MPa,剪應(yīng)力僅為12.5 MPa。由此可見,梁體應(yīng)力指標均滿足規(guī)范要求,且剪應(yīng)力富裕較大。

        表3 導(dǎo)軌梁應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

        4.2 預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁

        4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁跨徑30 m,梁長29.9 m, U形等截面,梁高為1.4 m,腹板厚0.25 m,底板厚0.25 m,采用C50混凝土。由于預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁底板連通,故無需另外設(shè)置疏散平臺及檢修通道。截面構(gòu)造如圖9所示。

        圖9 預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁截面圖(單位:mm)

        4.2.2 計算結(jié)果

        現(xiàn)選取跨中及支點為控制截面,按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)進行驗算,導(dǎo)軌梁在承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下的關(guān)鍵指標驗算結(jié)果如表4所示。表4計算結(jié)果表明,混凝土導(dǎo)軌梁的強度及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

        表4 導(dǎo)軌梁應(yīng)力驗算結(jié)果

        4.3 方案比選

        根據(jù)上述計算結(jié)果,H型鋼U形梁和預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁方案各項指標均滿足設(shè)計規(guī)范要求,預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁剛度較大,2個方案技術(shù)經(jīng)濟指標對比見表5。

        表5 技術(shù)經(jīng)濟指標對比表

        5 結(jié)論

        從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、剛度、防火防滑等方面考慮,預(yù)應(yīng)力混凝土梁性能優(yōu)良,但由于其制作精度要求高、控制工藝復(fù)雜,需設(shè)置預(yù)制梁場且需做專門的工法設(shè)計,制造過程繁瑣,吊裝重量大,施工速度慢;鋼梁工廠制作精度較易控制、自重輕、易吊裝,同時考慮到道路交通繁忙,H型鋼梁吊裝速度快,吊車噸位小,對現(xiàn)狀交通干擾更小,更適用于裝配式結(jié)構(gòu)。因此,正線及出入段線推薦H型鋼U形梁作為標準段梁體形式。由于在車輛基地內(nèi)導(dǎo)軌梁已經(jīng)落地,且車輛基地內(nèi)對軌道梁制作精度要求較低,景觀效果要求不高,因此,車輛基地推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁。

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