某地鐵線高架橋鋼門架設計

呂耀秀 張四國 張一卓

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

1 概況

某地鐵線需要以高架橋梁的形式上跨地面公路(平面圖見圖1)，規劃的地面公路寬60 m，斷面布置為:5 m人行道+22.5 m行車道+5 m中央分隔帶+22.5 m行車道+5 m人行道，由于地面公路行車道不允許布置橋墩，故需要采用大于25 m橫向跨度能力的結構作為高架橋梁的支撐體系，根據跨度能力及結構所處的特殊工程部位，綜合比較后選用鋼結構門架形式作為該處高架橋的支撐體系(見圖2)。此段需設置3個鋼門架。3個鋼門架所承受的上部荷載的作用力大小和位置不盡相同，因此對3個鋼門架分別進行了設計。

圖1 平面圖

圖2 門架立面圖

2 荷載標準

鋼門架所處位置的上部結構為簡支箱梁，經上部高架橋梁的計算，上部結構恒載及活載通過支座傳到鋼門架結構上，荷載大小詳見表1。

表1 鋼門架計算豎向荷載 kN

表1中列車豎向活載包括了列車豎向動力作用，列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數，且考慮雙線系數［1，2］。

溫度作用:升溫40℃，降溫40℃。梯度溫度0℃ ～15℃。

鋼門架柱腳沉降:一側柱腳下沉6 mm。

離心力:263 kN。

風力:風壓 0.6 kPa。

3 采用規范及控制因素

鋼門架設計采用TB 10002.1-2005鐵路橋涵設計基本規范和TB 10002.2-2005鐵路橋梁鋼結構設計規范，門架橫梁上部活載撓度控制在10 mm內，體系溫度作用下結構內力尤其是柱腳內力不能太大，增加對基礎附加作用力。

4 尺寸擬定

3個鋼門架所處的地形高程不同，立柱高不相同，3個鋼門架的外形尺寸見表2。

表2 三個門架外形尺寸 m

根據鋼門架橫梁長度、立柱高度以及所承受的荷載大小及荷載作用位置的不同，3個鋼門架中鋼門架二受力最不利，對鋼門架二的斷面尺寸及板厚做如表3所示數據的初步擬定。鋼門架橫梁和立柱的斷面形式均采用單箱雙室。

表3 門架斷面外形尺寸及板厚

表4 各種斷面尺寸頂底板厚40 mm，腹板厚30 mm時最大主拉應力、最大主壓應力 MPa

5 計算優化和分析

對表3所列的各種截面尺寸的門架進行桿系單元建模計算分析。各種斷面形式的鋼門架在控制截面處橫梁撓度最大值、最大主拉、最大主壓應力值如表4所示。

根據各種斷面尺寸時鋼門架的計算結果進行比較，可以看出，不同尺寸對結構應力及撓度影響較大，尤其是鋼門架橫梁處應力和撓度。兼顧應力大小和撓度要求，最后鋼門架二選擇用橫梁寬2.8 m，高2.5 m的截面尺寸。

但是按照柱腳反力值對基礎進行設計計算發現，由于剛度過大造成內力增加，從而使柱腳處反力過大對基礎不利，因此通過進一步計算優化，經試算最終決定采取深埋措施使3個門架立柱均增高到11 m，同時將門架立柱截面的橫橋向方向寬度從原來的1.5 m減小到1.0 m，減小了柱腳處的內力值，進而使下部基礎設計順利通過。

6 門架細部構造設計

6.1 斷面構造

將門架橫梁做成單箱雙室(見圖3)。頂底板均為厚40 mm，每道腹板厚30 mm。立柱斷面選用寬2.8 m，高1.0 m，也與橫梁對應做成單箱雙室(見圖4)，頂底板厚為30 mm，每道腹板厚30 mm。

圖3 門架橫梁斷面圖

圖4 門架立柱斷面圖

6.2 加勁

為了防止由于局部應力過大使得鋼門架各個板件發生局部屈曲［3］，在橫梁和立柱的頂底板和腹板上沿著箱室周邊布置間距不小于50 cm的球扁鋼加勁肋;橫梁設置標準間距為1.5 m的橫隔板，立柱設置標準間距為1 m的橫隔板，標準橫隔板不是全斷面鋼板式，是斷面周邊板條式。在荷載作用區間加密橫隔板，加密的橫隔板為全截面板式，中間挖人孔，加密后隔板間距為0.7 m，在荷載直接作用的位置有無人洞的橫隔板，并且在此處橫隔板上繼續加勁形成荷載作用點處十字形加勁。

6.3 橫梁和立柱交點

橫梁和立柱的交點處腹板為L形整塊鋼板過渡(見圖5)，內部構造為跟其他位置相同的球扁鋼加勁，在拐角內側設置梗腋，提高截面的抗彎剛度，減少畸變應力，使力線過渡比較均勻，減小次內力。

6.4 柱腳與承臺的連接

圖5 門架橫梁立柱交點立面圖

圖6 柱腳立面圖

柱腳與承臺的連接采用法蘭盤式的高強螺栓連接(見圖6，圖7)，在柱腳底承臺頂墊鋼板作為承壓板，承壓板與柱腳四周焊接，并設加勁板。承臺里預埋用于栓接的錨栓，錨栓端頭設端板。柱腳里灌注2.5 m高混凝土，通過在柱壁內側設剪力釘和承臺里預埋的鋼筋形成整體。

圖7 柱腳平面圖

7 結語

根據結構所處的位置特殊性以及跨度要求，選擇鋼門架結構作為此節點處高架橋梁的支撐，在對鋼門架的設計過程中，歸納以下幾點:

1)鋼門架橫梁與立柱拐點受力復雜，是結構的薄弱點，因此將此節點處腹板做成L形的整塊鋼板過渡，使門架結構分節段拼裝，焊縫避開受力復雜點而分別處于橫梁和立柱的零彎矩點附近。2)柱腳與承臺的連接采用法蘭盤式的高強螺栓連接，承壓板用于傳遞壓力，高強螺栓組用于傳遞出現的拉力。這種連接形式傳力直接，而且有比較多的工程實際施工經驗。但是這種連接形式要求承壓板與承臺混凝土結構有足夠的面面接觸率，對施工應強調混凝土表面處理，否則質量不易保證，因此對施工質量要提出要求。3)設計過程中不僅要考慮鋼門架結構自身的強度、剛度要求，也要依據剛度、內力結合下部基礎的承載能力，同時應充分考慮到高架橋梁上部所需支撐設置范圍及撓度要求來確定鋼門架外形尺寸。

［1］TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設計基本規范［S］.

［2］TB 10002.2-2005，鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.

［3］張家旭，張慶芳.鋼結構［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.