楊永明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

從經(jīng)濟(jì)、合理角度考慮,跨座式單軌軌道梁一般以20 m 或22 m 的跨徑作為標(biāo)準(zhǔn)橋跨,最大跨度可達(dá)25 m[1-2]。但在一些路口、特殊障礙物等位置經(jīng)常需要布設(shè)更大跨徑的橋跨結(jié)構(gòu)。簡支鋼-混結(jié)合梁具有承載能力大、自重相對輕、材料受力合理等優(yōu)點(diǎn),且具有較大的跨越能力,該結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于跨座式單軌交通系統(tǒng)中,能夠有效改善以往鋼軌道梁方案用鋼量大、振動(dòng)噪聲高、車輪與梁體之間容易打滑等問題[3-4]。已有部分學(xué)者對鋼-混結(jié)合軌道梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究,寇培培對鋼-混結(jié)合軌道梁在跨座式單軌交通中的適用范圍進(jìn)行研究[5];劉一平等認(rèn)為在跨越路口處適合采用25～40 m 鋼-混結(jié)合軌道梁[6];王超冉等對鋼-混結(jié)合軌道梁的車橋耦合動(dòng)力特性進(jìn)行分析[7]。然而,以往研究中少有對梁型方案和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面的具體研究,以下基于蕪湖市軌道交通工程,對鋼-混結(jié)合軌道梁的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用情況進(jìn)行深入研究。

2 結(jié)構(gòu)簡介與設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式梁型方案

常規(guī)結(jié)構(gòu)形式簡支鋼-混結(jié)合梁總體結(jié)構(gòu)布置形式為:每線設(shè)置1 榀軌道梁,兩線軌道梁之間采用橫梁和下平聯(lián)連接,形成整體“U”形結(jié)構(gòu),線間距范圍一般為4.2～5.3 m[8]。常規(guī)結(jié)構(gòu)形式簡支鋼-混結(jié)合軌道梁1/2 平面、斷面示意分別見圖1、圖2。

圖1 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式1/2 平面布置

圖2 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式斷面

(1)主梁

主梁采用鋼-混組合結(jié)構(gòu),上部導(dǎo)向面范圍為混凝土結(jié)構(gòu),下部鋼結(jié)構(gòu)采用大高寬比鋼箱梁,混凝土與鋼結(jié)構(gòu)之間采用剪力釘連接[9]。

穩(wěn)定面結(jié)構(gòu)由面板、水平支承板和豎向支承板組成,布置于腹板外側(cè)面相應(yīng)位置處。穩(wěn)定面面板、穩(wěn)定面水平支承板與主梁腹板所形成密閉空間極為狹小,為提高結(jié)構(gòu)的耐久性,各主梁節(jié)段兩側(cè)端部豎向支承板做密封處理,以保證密閉空間范圍實(shí)現(xiàn)氣密防腐[10]。

直線梁主梁鉛直布置,與橫梁軸線垂直;曲線梁設(shè)置超高[11],主梁傾斜并與橫梁軸線形成一定的斜交角度。

一般情況下,主梁沿順橋向分為3 個(gè)節(jié)段,節(jié)段間采用頂板焊接、腹板和底板栓接的混合連接方式。

(2)隔板

為保證箱梁抵抗畸變、翹曲的能力及結(jié)構(gòu)的橫向傳力,主梁箱內(nèi)需設(shè)置隔板。隔板共計(jì)5 種類型,分別為一般位置隔板、平聯(lián)接頭位置隔板、橫梁位置隔板、節(jié)段端部封閉隔板及支點(diǎn)隔板。每個(gè)梁段兩端的隔板采用封閉隔板,使梁段中部實(shí)現(xiàn)氣密防腐。

(3)橫梁

主梁每間隔4 個(gè)隔板間距在兩線梁間設(shè)置橫梁。橫梁分為支點(diǎn)橫梁和普通橫梁兩種,橫梁采用工字形截面,曲線梁橫梁宜采用等高度截面。

橫梁在工廠單獨(dú)制造,運(yùn)至工地后再與主梁連成整體。橫梁頂板、腹板、底板與主梁均采用M24 高強(qiáng)度螺栓連接。

(4)下平聯(lián)

為增強(qiáng)梁體的抗彎和抗扭剛度,在兩線主梁之間下部設(shè)置下平聯(lián),下平聯(lián)桿件可采用焊接T 形截面或焊接工字形截面。一般情況下,其平面布置形式見圖1。

(5)混凝土橋面

混凝土橋面寬度采用相應(yīng)單軌制式的標(biāo)準(zhǔn)梁寬,混凝土厚度結(jié)合導(dǎo)向面軌跡線范圍及計(jì)算確定?；炷另斆鎯蓚?cè)各設(shè)置20 mm×20 mm 的倒角,按GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,橋面混凝土強(qiáng)度等級不宜低于C40,設(shè)計(jì)中一般采用C50。橋面鋼筋整體綁扎,頂面、側(cè)面保護(hù)層的確定應(yīng)考慮車輪磨耗的影響。橋面混凝土一般斷面布置見圖3。

圖3 橋面混凝土一般斷面布置

(6)支座

簡支鋼-混結(jié)合軌道梁兩線主梁通過下平聯(lián)和橫梁連接形成整體,支座采用球形鋼支座[12],每孔梁設(shè)置固定支座、橫向活動(dòng)支座、縱向活動(dòng)支座、多向活動(dòng)支座各1 套。常規(guī)結(jié)構(gòu)形式簡支鋼-混結(jié)合軌道梁支座布置見圖4。

圖4 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式支座布置

(7)指形板安裝預(yù)留槽口

相鄰軌道梁間的梁縫連接處設(shè)置指形板,走行面及導(dǎo)向面位置指形板預(yù)埋件預(yù)埋于橋面混凝土內(nèi),穩(wěn)定面位置指形板與主梁腹板栓接,主梁腹板梁端預(yù)留螺栓孔。同時(shí),在穩(wěn)定面安裝位上方預(yù)留安裝槽口,便于指形板安裝。預(yù)留槽口布置示意見圖5。

圖5 指形板安裝預(yù)留槽口示意(單位:mm)

(8)應(yīng)用情況

常規(guī)結(jié)構(gòu)形式簡支鋼-混結(jié)合軌道梁已在安陽旅游示范線、蚌埠單軌產(chǎn)業(yè)園試驗(yàn)線、桂林旅游專線試驗(yàn)線、蕪湖軌道交通1 號線和2 號線一期等項(xiàng)目設(shè)計(jì)中大量采用,且均已完成結(jié)合梁的架設(shè)安裝施工。

2.2 正交異性板整體式下平聯(lián)梁型方案

蕪湖市軌道交通1 號線采用25 m 簡支鋼-混結(jié)合軌道梁跨越淮南線鐵路,采用正交異性板[13]整體式下平聯(lián)梁型方案,可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和密閉性,具備整體起吊安裝條件,降低對鐵路線路的影響。

(1)整體式下平聯(lián)

整體式下平聯(lián)由懸臂橫梁、中間橫梁、外側(cè)整體上翼板和中間整體上翼板組成。主梁每間隔兩個(gè)隔板間距在兩主梁間設(shè)置中間橫梁、在主梁外側(cè)設(shè)置懸臂橫梁。橫梁采用倒T 形截面,中間橫梁為等高度截面,懸臂橫梁為變高度截面。

梁體在橫橋向上分為3 個(gè)制造段,懸臂橫梁、外側(cè)整體上翼板與主梁共同制造,中間橫梁及中間整體上翼板單獨(dú)制造,運(yùn)至工地后再與主梁部分連接成整體。整體上翼板沿橋梁縱向設(shè)置板式加勁肋。正交異性板整體式下平聯(lián)梁型方案1/2 平面、斷面示意分別見圖6、圖7。

圖7 整體式下平聯(lián)梁型方案斷面

(2)橋面混凝土施工

由于鋼結(jié)構(gòu)部分為整體吊裝,吊重較大,故采用在梁跨吊裝就位后于橋面上澆筑橋面混凝土的施工方案。

(3)橋面排水設(shè)計(jì)

本梁跨越淮南線鐵路,橋面需采用集中排水形式。在橋面四周邊緣設(shè)置150 mm 高擋水鋼板,避免雨水從橋梁邊緣泄出,同時(shí)在兩側(cè)梁端橋面邊緣位置設(shè)置排水孔,通過橋梁縱坡及豎曲線實(shí)現(xiàn)梁端橋面排水。

2.3 大位移伸縮裝置處梁型方案

當(dāng)跨座式單軌交通與公路或鐵路在大跨徑工點(diǎn)分層共建時(shí),單軌交通通常采用“雙層復(fù)合”結(jié)構(gòu)形式[14],即單軌軌道梁布置在大跨長聯(lián)的托梁之上。由于托梁為長聯(lián)結(jié)構(gòu),在兩聯(lián)托梁的交界處需要布置大位移量伸縮裝置[15],為協(xié)調(diào)變形,在對應(yīng)位置的單軌線路中也需要布設(shè)具有相應(yīng)伸縮變形能力的軌道梁專用的伸縮裝置,而在專用伸縮裝置兩側(cè)需要布設(shè)不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的結(jié)合軌道梁梁型。如汕頭市軌道交通6 號線公軌共建段預(yù)留工程中,就布設(shè)多孔該梁型的軌道梁結(jié)構(gòu)。

(1)主梁

該梁型方案在總體布置上仍與常規(guī)結(jié)構(gòu)形式梁跨一致,但受伸縮裝置的影響,主梁改由鋼-混結(jié)合梁段和鋼梁段組合而成,鋼-混結(jié)合梁段在遠(yuǎn)離伸縮裝置一側(cè),鋼梁段在靠近伸縮裝置一側(cè)。鋼梁段頂板中部下方設(shè)板式縱向加勁肋,以加強(qiáng)鋼梁段頂板走行面的局部剛度。伸縮裝置處梁型方案立面布置見圖8。

圖8 伸縮裝置處梁型方案立面布置

(2)細(xì)節(jié)構(gòu)造

為確保鋼-混結(jié)合梁段與鋼梁段的可靠連接,過渡范圍設(shè)置PBL 剪力鍵[16]及上水平板構(gòu)造。在過渡范圍加勁肋板上開φ40 mm 圓孔,圓孔內(nèi)穿φ16 mm 鋼筋;上水平板下緣焊接剪力釘,上水平板與交界面立板焊連,避免鋼、混交界面直接受力出現(xiàn)裂縫。上水平板在頂面及兩側(cè)面與混凝土的接觸位置預(yù)留20 mm×20 mm 槽口,混凝土澆筑完成后,采用柔性防水材料填實(shí)、填滿。過渡范圍構(gòu)造立面見圖9。

圖9 過渡范圍構(gòu)造立面

鋼梁段在梁端設(shè)置上、下安裝手孔,用于伸縮裝置的螺栓安裝與更換,伸縮裝置通過端立板與結(jié)合梁主梁連接。鋼梁段主梁斷面示意、伸縮裝置與鋼梁段連接見圖10、圖11。

圖10 鋼梁段主梁斷面

圖11 伸縮裝置與鋼梁段連接

2.4 倒T 形截面單線梁梁型方案

眾所周知,單榀簡支鋼-混結(jié)合軌道梁橫向剛度小于與其跨徑相同的PC 軌道梁,而實(shí)際工程中,布設(shè)的簡支鋼-混結(jié)合梁的跨度一般又較PC 軌道梁大,故需在簡支鋼-混結(jié)合軌道梁下部設(shè)置橫梁,以增加橫向剛度。同時(shí),單榀軌道梁布置需要采用能承受扭矩的拉壓支座[17],而結(jié)合梁由于其跨度更大,導(dǎo)致對拉壓支座的受力要求就更高,其設(shè)計(jì)難度也越大。

若線路本身為單線,或兩線線間距較大的情況下,為解決上述問題,可布設(shè)多孔倒T 形截面的單線簡支鋼-混結(jié)合軌道梁[18-19]。在蕪湖市軌道交通1 號線、2 號線一期項(xiàng)目及合肥試驗(yàn)線項(xiàng)目中已有相關(guān)應(yīng)用。

(1)主梁

主梁采用倒T 形截面,主梁底板加寬,在主梁鋼箱兩側(cè)設(shè)置敞口的鋼槽結(jié)構(gòu),不設(shè)置上蓋板。

(2)壓重混凝土

為防止梁跨結(jié)構(gòu)、特別是曲線梁梁跨結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)負(fù)反力,采用C30 混凝土對兩側(cè)鋼槽全范圍內(nèi)進(jìn)行壓重。鋼槽范圍內(nèi)底板按構(gòu)造要求布置剪力釘,并在壓重混凝土中布置上、下層鋼筋網(wǎng)片,上層鋼筋網(wǎng)縱向貫通,下層鋼筋網(wǎng)受側(cè)隔板影響,縱向鋼筋斷開。為加強(qiáng)側(cè)隔板與壓重混凝土的連接,在側(cè)隔板預(yù)留圓孔中增設(shè)短鋼筋,每孔布置1 根。倒T 形截面單線梁斷面見圖12。

圖12 倒T 形截面單線梁斷面

壓重混凝土表面設(shè)置1%的橫向排水坡,以利排水。為防止壓重混凝土出現(xiàn)橫向裂縫,沿梁跨縱向每隔2 m,在壓重混凝土表面施作1 條寬約10 mm、深1～2 cm 的斷縫,用柔性防水材料填實(shí),并注意避免對混凝土外表面造成污染。

(3)支座

倒T 形截面單線簡支鋼-混結(jié)合梁支座布置于側(cè)腹板和支點(diǎn)側(cè)隔板下方,每個(gè)梁端布置2 套支座,每榀梁共計(jì)布置4 套支座,支座采用球形鋼支座,其支座布置方式同雙線常規(guī)結(jié)構(gòu)形式。

支座上板與結(jié)合梁底板的連接采用箱外螺栓、箱內(nèi)套筒的連接方式,箱內(nèi)套筒需在鋼梁制造廠預(yù)先安裝在鋼梁底板上。支座安裝位示意見圖13。

圖13 倒T 形截面單線梁支座安裝位

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 氣密防腐技術(shù)

主梁箱體內(nèi)部和穩(wěn)定面構(gòu)造內(nèi)部密閉空間均采用氣密防腐技術(shù),取消了主梁箱體的內(nèi)表面涂裝,優(yōu)化鋼梁涂裝工序,避免內(nèi)部涂裝施工給施工操作人員帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 球形鋼支座

簡支鋼-混結(jié)合軌道梁各梁型方案均采用球形鋼支座,滿足結(jié)果受力需要的同時(shí),能夠取消傳統(tǒng)的拉壓支座及長錨栓預(yù)埋,減少對橋墩結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí),所采用的球形鋼支座具備高度及兩個(gè)水平方向的調(diào)整功能,便于對梁體線形進(jìn)行調(diào)整。

3.3 預(yù)留指形板手孔

梁端指形板在軌道梁就位后安裝,通過在穩(wěn)定面指形板安裝位上部設(shè)置安裝預(yù)留孔的方式,可解決指形板后期安裝空間的問題。

3.4 曲線梁等高度橫梁設(shè)計(jì)

軌道梁制造線形復(fù)雜,曲線鋼-混結(jié)合軌道梁受超高影響,主梁腹板與橫梁軸線非垂直關(guān)系,采用等高度橫梁設(shè)計(jì)利于鋼結(jié)構(gòu)的加工制造,利于從源頭避免制造誤差累計(jì)、甚至制造錯(cuò)誤的發(fā)生。

3.5 正交異性板整體式下平聯(lián)梁型方案

設(shè)計(jì)正交異性板整體式下平聯(lián)梁型方案,改善橋梁結(jié)構(gòu)整體性,利于整體起吊安裝,減少現(xiàn)場施工操作時(shí)間,降低對跨越物的影響,適合跨越鐵路、公路的工點(diǎn)橋梁采用。

3.6 鋼梁與鋼-混結(jié)合梁組合的梁型方案

采用了鋼梁與鋼-混結(jié)合梁組合的梁型方案,該方案是在常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上,在負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置鋼梁段,解決了橋面混凝土存在受拉工況的問題,通過過渡段特殊構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)鋼梁段和鋼-混結(jié)合段的順接,適用于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)、大位移伸縮裝置兩側(cè)的單軌梁跨采用。

3.7 倒T 形截面單線梁梁型方案

采用倒T 形截面單線簡支鋼-混結(jié)合軌道梁梁型方案,解決了單線梁橫向剛度弱的問題,鋼槽內(nèi)壓重混凝土的灌注改善了梁體的橫向穩(wěn)定性,采用開口鋼槽,取消了上蓋板,便于壓重混凝土的灌注,同時(shí)可節(jié)省用鋼量0.24 t/m。

每個(gè)梁端布設(shè)2 個(gè)球形支座,避免布設(shè)拉壓支座,降低了對橋墩結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)語

隨著我國跨座式單軌交通事業(yè)的快速發(fā)展,簡支鋼-混結(jié)合梁在跨座式單軌交通中應(yīng)用范圍和環(huán)境勢必越來越廣泛。通過對氣密防腐技術(shù)、球形鋼支座應(yīng)用、整體式下平聯(lián)梁型、鋼梁與鋼-混結(jié)合梁組合梁型、倒T 形截面單線梁梁型等技術(shù)創(chuàng)新,有利于簡支鋼-混結(jié)合軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和梁型方案的改進(jìn),可為類似工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供借鑒。