軌道交通U型梁橋下部結構縱向水平線剛度合理值研究

馬坤全 陳 宇 潘湘文

(同濟大學土木工程學院,200092,上海∥第一作者,副教授、博士)

0 引言

U型梁橋因其具有建筑高度低、隔音效果好、斷面空間利用率高、行車安全及外形美觀、視覺效果好等優點,越來越成為城市軌道交通高架結構的首選橋型[1]。軌道交通高架區間一般采用30 m跨徑簡支小U結構(現場整體預制單線小U梁,吊裝架設)或大U結構(工廠預制雙線U梁節段,架橋機節段拼裝),墩柱采用單墩或雙柱結構。

高架橋上通常采用支承塊式承軌臺(部分區段因減振降噪需要采用浮置板)無碴軌道結構,鋪設無縫線路,采用60 kg/m鋼軌、WJ-2型小阻力彈性扣件[2]。

無縫線路鋼軌在高架結構上的受力狀態不同于路基。由于結構溫度變化、列車在高架橋上制動以及梁跨撓曲等使高架結構產生較大的變形,導致鋼軌產生較大的附加應力,同時無縫線路鋼軌中的附加力又作用于高架結構。這種因結構物與軌道的相互作用而產生的附加力大小,在很大程度上取決于下部結構的縱向剛度,以及上部結構跨度、剛度及橋長,并有可能影響行車安全。為保證橋上軌道穩定性和強度要求,我國《地鐵設計規范》(GB 50157—2003)[3]、《城市軌道交通設計規范》(DGJ 08—109—2004)、《鐵路橋涵設計基本規范》(TB 10002.1—2005)及《京滬高速鐵路設計暫行規定》[4]等規范均對墩臺頂最小縱向水平剛度作出明確規定,德國、西班牙等國的高速鐵路也作了類似的限制。

盡管軌道交通高架區間墩柱縱向剛度設計可參考上述規范的有關條文進行,但上述規范應用的范圍及其合理性值得進一步探討。例如:《京滬高速鐵路設計暫行規定》考慮的是0.8 UIC荷載,設計荷載是城市軌道交通荷載2倍以上,相應客車行車速度為300～350 km/h,且其加載長度理論上為無限長。而城市軌道交通列車編組一般為6輛或8輛,加載長度為有限值。因此該規范設計標準高。如果城市軌道交通全部按照該規范進行設計,將較大幅度地增加不必要的工程投資,同時也會給城市橋梁設計美學的要求帶來困難。目前頒布的《地鐵設計規范》或《城市軌道交通設計規范》由于編制時間比較倉促,有關條文也是直接引用干線鐵路(包括京滬高速鐵路)的研究成果,并未做過深入的研究。因此,應根據軌道交通系統的具體模式開展梁軌相互作用研究,并制定鋪設焊接長鋼軌的混凝土簡支梁橋下部結構最小縱向水平線剛度的合理值。

1 U型梁橋梁軌相互作用計算

1.1 計算模型

取7跨跨徑為30 m的單線簡支U梁作為計算對象[5],兩端路基上鋼軌長度取L+40 m=70 m,模擬軌道縱向位移阻力的非線性彈簧單元間距為1 m。主梁及道床板均采用板殼單元模擬,鋼軌用空間梁單元模擬,鋼軌與主梁間連接采用非線性彈簧單元模擬,支座、立柱及基礎對橋跨的縱向約束(即下部結構縱向水平線剛度)采用線性彈簧模擬,道床板形心線至鋼軌及道床板形心線至支座間用剛臂單元連接。

采用Ansys軟件建立的軌道交通單線U型梁橋梁軌相互作用計算模型如圖1所示。其總節點數為4 076,總單元數為 4 984。其中,板殼(shell 63)單元 1 568個,梁(beam 188)單元 1 190個,彈簧(combin 39)單元2 226個。

圖1 軌道結構與橋梁相互作用計算模型

1.2 高架結構梁軌相互作用計算條件

根據軌道交通高架結構形式、車輛模式、軌道結構形式等特點,并參考干線鐵路橋梁軌相互作用計算條件,擬定表1所示軌道交通高架橋梁軌相互作用計算條件[5-6]。

表1 梁軌相互作用計算條件

1.3 高架橋上鋼軌附加力計算結果

1.3.1 高架橋上鋼軌制動力

1.3.1.1 鋼軌制動力沿橋縱向的分布

圖2為7跨跨徑為30 m的單線等跨簡支梁組成的高架結構在不同下部結構縱向水平線剛度時對應的鋼軌(單軌)制動力沿橋縱向的分布情況(圖中K值為橋梁下部結構縱向水平線剛度;左邊墩橫坐標為0,右邊墩橫坐標為210,下同)。由圖2可看出,對于不同下部結構縱向水平線剛度,其鋼軌制動力沿橋縱向的分布規律一致;鋼軌中制動力峰值出現在梁縫及路基與橋梁的連接處,且路橋結合部鋼軌制動力最大。

圖2 鋼軌制動力沿橋縱向分布

1.3.1.2 鋼軌最大制動力與下部結構縱向水平剛度關系

圖3為鋼軌制動力幅值隨橋梁下部結構縱向水平剛度變化圖。由圖3可知,高架結構上鋼軌最大制動力隨著下部結構縱向水平剛度的降低而增加,且增長幅度越來越大。

圖3 鋼軌制動力幅值與橋梁下部結構縱向水平剛度關系

1.3.1.3 梁軌相對位移

表2為制動力作用下鋼軌與承軌臺頂在典型位置處的相對位移計算值。由表2可看出,在制動力作用下,梁軌相對位移最大值發生在路基與橋梁結合部,并隨下部結構縱向水平剛度的降低而增大。對于跨度為30 m等跨簡支梁組合的高架結構,當下部結構單線縱向水平剛度為160 kN/cm時,最大梁軌相對位移為1.15 mm;當下部結構單線縱向水平剛度為30 kN/cm時,最大梁軌相對位移為2.33 mm。

表2 制動力作用下不同墩位處的鋼軌與承軌臺頂的相對位移 mm

1.3.2 高架橋上鋼軌伸縮附加力

1.3.2.1 鋼軌伸縮附加力沿橋縱向的分布

圖4為單線高架橋橋上鋼軌(單軌)伸縮附加力沿橋縱向分布情況。由圖4可知,多跨簡支梁高架結構上無縫線路鋼軌的伸縮附加力在每跨梁的兩端形成峰值。

圖4 鋼軌伸縮附加力沿橋縱向分布

1.3.2.2 鋼軌最大伸縮力與下部結構縱向水平剛度的關系

圖5為高架橋上鋼軌最大伸縮附加力與橋梁下部結構縱向水平線剛度的關系曲線。從圖5可看出,鋼軌最大伸縮附加力隨橋梁下部結構縱向水平剛度的降低而降低,但當下部結構單線縱向水平剛度大于1 000 kN/cm后,鋼軌最大伸縮力變化漸趨減小。

圖5 鋼軌伸縮力隨橋梁下部結構縱向剛度變化

1.3.3 高架橋上鋼軌撓曲力

1.3.3.1 鋼軌撓曲力沿橋縱向分布

圖6為多跨U型簡支梁橋鋼軌撓曲力沿橋縱向分布規律。由圖6可知,鋼軌撓曲力在列車荷載作用位置出現峰值,但總體數值均較小。

圖6 鋼軌撓曲力沿橋縱向分布

1.3.3.2 最大鋼軌撓曲力與下部結構縱向水平剛度關系

圖7為鋼軌最大撓曲力隨橋梁下部結構縱向水平剛度的變化情況。從圖7可看出,鋼軌最大撓曲力隨著下部結構縱向水平剛度的減少而降低,但其絕對值較小。當橋梁下部結構單線縱向水平剛度小于1 000 kN/cm時,鋼軌的最大撓曲力隨著下部結構剛度的增加而增大較快;當橋梁下部結構單線縱向水平剛度超過1 000 kN/cm時,鋼軌的最大撓曲力增加則漸趨緩慢。

1.3.4 高架橋上鋼軌附加力組合

根據高架結構鋼軌附加應力組合原則,對于7跨跨徑為30 m簡支U梁,橋上無縫線路鋼軌附加應力組合如表3所示。

圖7 鋼軌撓曲力隨橋梁下部結構縱向剛度變化

表3 高架結構單線不同縱向水平剛度時的鋼軌附加應力組合

1.4 墩柱頂縱向水平力計算結果

根據我國無縫線路橋梁墩柱和基礎的設計檢算方法,撓曲力和伸縮力按主力考慮,制動力按附加力考慮。在高架結構墩柱水平力計算中,有以下二種基本荷載組合:

組合Ⅰ:墩柱伸縮力+墩柱制動力;

組合Ⅱ:墩柱撓曲力+墩柱制動力。

各種荷載組合下墩柱頂水平力如表4所示。從表4可看出,高架橋上無縫線路固定區傳至墩身的縱向附加力隨橋梁下部結構縱向剛度增大而增加。

表4 墩柱頂不同單線縱向水平剛度時的縱向水平力組合

2 高架橋下部結構縱向水平線剛度合理值探討

表5為軌道交通高架結構與干線鐵路橋梁作用于軌面的制動力大小比較。由表5可知,軌道交通工程軌面制動力僅為客運專線相應值的65.0%。

表6為7跨跨徑為30 m的單線簡支U梁高架結構梁軌相互作用模型分別按136.8 m加載長度(相當于6輛編組列車總長)和全橋滿布加載時,計算所得單軌軸力、傳至墩身梁軌相互作用力及制動條件下梁軌相對位移(橋梁下部結構單線縱向水平剛度K=100 kN/cm)。從表6可看出,軌面制動力按6輛編組長度(L=136.8 m)加載計算的單軌軸力僅為橋梁滿布加載計算值的65.4%,按6輛編組長度加載的制動條件下的梁軌相對位移值只為全橋滿布加載計算值的41.8%。

表5 軌道交通高架結構與干線鐵路橋梁作用于軌面的制動力大小比較

表6 兩種加載方式比較

綜合表5和表6可知,由于軌道交通列車軌面制動力和加載長度明顯小于干線鐵路,因此,在制動力作用下的單軌制動力及制動條件下的梁軌相對位移也明顯小于干線鐵路。

綜上可知,軌道交通高架結構橋上無縫線路梁軌相互作用產生的縱向附加力明顯小于干線鐵路的相應值,因此,我國現有《地鐵設計規范》及《京滬高速鐵路設計暫行規定》等規定的橋墩墩頂最小縱向水平線剛度值應用于軌道交通高架橋設計明顯偏大,可適當放寬;當橋梁下部結構單線縱向剛度不小于100 kN/cm時,制動條件下梁軌相對位移幅值、鋼軌附加應力及墩頂縱向水平位移均滿足相應限值要求[7]。

3 結語

通過對軌道交通典型區間多跨簡支U梁結構橋上無縫線路梁軌相互作用分析,以及軌道交通與干線鐵路不同列車模式(主要為軌面制動力大小和加載長度)對梁軌相互作用影響的深入探討,并將其研究成果與常用的多跨簡支箱梁和T梁結構橋上無縫線路梁軌相互作用分析結果[5]比較,可得到如下結論:

(1)多跨簡支U梁結構橋上無縫線路梁軌相互作用力(鋼軌制動力、伸縮力及撓曲力)沿橋縱向的分布規律及其隨下部結構縱向水平剛度的變化規律與傳統的箱梁和T型梁結構基本一致;U梁結構高架橋上無縫線路梁軌相互作用傳至墩身縱向附加力(制動力、伸縮力及撓曲力)隨下部結構縱向水平剛度的變化規律也與傳統的箱梁和T型梁結構基本相同。

(2)U梁結構高架橋上無縫線路鋼軌制動力、伸縮力,與傳統的箱梁和T型梁結構相差不大,但鋼軌撓曲力則明顯小于傳統的箱梁和T型梁結構計算值。

(3)我國現有《地鐵設計規范》規定的橋墩墩頂最小縱向水平線剛度值應用于軌道交通高架橋設計明顯偏大,可適當放寬;軌道交通典型高架區間(跨徑為30 m的U梁簡支結構)下部結構單線最小縱向水平剛度取為100 kN/cm,雙線橋梁下部結構縱向剛度最小限值取為200 kN/cm,能滿足橋上無縫線路穩定性和強度要求。

[1]賀恩懷.槽形梁在城市軌道交通工程中的應用形式[J].城市軌道交通研究,2003,6(3):68.

[2]馬坤全,陳文艷.軌道交通高架橋合理抗震設計參數及抗震措施研究[J].中國鐵道科學,2001,22(4):63.

[3]GB 50157—2003 地鐵設計規范[S].

[4]鐵道第三勘察設計院.京滬高速鐵路設計暫行規定[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[5]馬坤全,沈錢斌,蔣鵬.軌道交通高架橋無縫線路梁軌相互作用研究[J].城市軌道交通研究,2008,11(8):25.

[6]蔣金洲,肖俊恒.上海市共和新路高架一體式結構無縫線路縱向力分析[R].北京:鐵道科學研究院北京遠通城市軌道交通中心,2002.

[7]蔡小培,田春香,李成輝.64 m簡支梁橋鋪設無縫線路墩頂縱向水平線剛度研究[J].鐵道建筑,2006(10):13.