鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在城市軌道交通中的應(yīng)用

譚滿江，劉朝暉

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 前 言

與鋼橋相比，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁橋具有節(jié)省鋼材、建筑高度低、噪聲小、耐疲勞等優(yōu)點;與混凝土橋相比，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁橋具有重量輕、剛度大、制造簡單、施工速度快等優(yōu)點。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是由鋼材和混凝土兩種性質(zhì)不同的材料緊密組合的一個整體，如何使兩種材料緊密相連并減少對結(jié)構(gòu)的不利效應(yīng)，對保證結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和安全性都很重要。

與公路規(guī)范相比，軌道橋梁規(guī)范荷載多、剛度要求高。本文以長沙市軌道交通1號線北延一期工程中鋼-混組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)為例，對鋼-混組合結(jié)構(gòu)在城市軌道交通中的應(yīng)用作了簡要的介紹。

長沙市軌道交通1號線北延一期工程位于金霞組團段，線路起于彩霞路站，止于開福區(qū)政府站(1號線一期起點站)，線路長約10.67 km，高架段長約4.52 km(見圖1)。

其中跨新安路(37+65+40) m連續(xù)梁和跨港城路(40+65+40) m連續(xù)梁均采用鋼混組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)(見表1)。

圖1 1號線北延一期工程布置示意

表1 節(jié)點橋梁一覽

1 跨規(guī)劃新安路、規(guī)劃港城路橋梁設(shè)計

設(shè)計采用(37+65+40) m鋼混組合連續(xù)梁、(40+65+40) m鋼混組合連續(xù)梁、分別跨越規(guī)劃新安路和規(guī)劃港城路(見圖2)。

經(jīng)有限元軟件建模優(yōu)化計算后，結(jié)構(gòu)各項驗算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，其中主要計算結(jié)果如表2所示。

圖2 (40+60+40) m鋼混組合連續(xù)梁示意

表2 (40+65+40) m鋼混組合連續(xù)梁計算結(jié)果

(37+65+40) m、(40+65+40) m鋼-混凝土組合梁橋梁全寬10.2 m。主橋根部梁高4.2 m，高跨比4.2/65=1/15.5；跨中梁高2.2m，高跨比2.2/65=1/29.5。梁高采用二次拋物線形式變化。

橋梁橫橋向為單室鋼-混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)，縱向以支座為中心36 m范圍內(nèi)，鋼箱梁采用閉口截面形式，其余部分采用開口截面形式，兩側(cè)懸挑2.3 m。開口截面鋼箱梁每個腹板對應(yīng)的上翼緣寬600 mm，鋼箱梁內(nèi)每隔6 m設(shè)置一道橫隔板?？缰袛嗝婕爸兄c斷面示意分別見圖3～4。

圖3 跨中斷面示意(單位：mm)

圖4 中支點斷面示意(單位：mm)

鋼箱梁與橋面混凝土板通過連接件連接在一起共同工作。在正彎矩區(qū)采用栓釘保證鋼和混凝土的組合作用；在負彎矩區(qū)采用新型抗拔不抗剪連接件，有效解決負彎矩區(qū)開裂問題。

正彎矩區(qū)鋼箱梁與橋面混凝土板通過剪力連接件連接在一起共同工作，剪力連接件采用Φ22圓柱頭栓釘，栓釘熔后長度180 mm。

負彎矩區(qū)采用新型抗拔不抗剪連接件，抗拔不抗剪連接件構(gòu)成部分：螺桿M22×3，長度L為180 mm，螺帽D為70 mm，t為20 mm，外套EVA泡棉套管t=15 mm，EVA泡棉發(fā)泡率為19。施工中，首先焊接螺桿至鋼梁上翼緣，之后在螺桿外套上EVA泡棉套管，最后擰上螺母并在螺母外套上EVA泡棉套管，在澆筑混凝土前，需要在負彎矩區(qū)段將鋼梁上翼緣頂面、螺帽底面刷上脫模劑(見圖5)。

為提高梁端鋼箱梁鋼板的局部穩(wěn)定性同時避免邊支座支反力過小，在邊跨靠近支座及中跨靠近支座澆筑C50混凝土。同時注意負彎矩鋼梁底部灌混凝土區(qū)段底板縱向加勁肋之間均布置Φ22 栓釘，熔后長度180 mm。

鋼-混組合梁鋼結(jié)構(gòu)部分由工廠加工，現(xiàn)場搭設(shè)臨時支撐拼接，混凝土板采用現(xiàn)澆方式施工。

圖5 主要施工步驟示意

2 鋼-混組合結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)比較

(40+65+40) m連續(xù)梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼-混組合方案主梁的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

由表3可知，對于跨徑在65 m的城市軌道連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，采用鋼-混組合梁方案比預(yù)應(yīng)力混凝土方案增加的上構(gòu)建造成本約48%。鋼-混組合梁上構(gòu)自重相比減輕44%，對于汽車作為活載的橋梁以及覆蓋層較厚的地基上采上摩擦樁基礎(chǔ)的橋梁來說，優(yōu)化下構(gòu)節(jié)省的建造成本可能多于上構(gòu)增加的建造成本。

對于承受鐵路荷載的橋梁來說，下構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸受下構(gòu)整體剛度的制約，可以優(yōu)化的空間較小。

表3 主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)對比

雖然鋼-混組合梁在經(jīng)濟性上沒有優(yōu)勢，但與混凝土梁相比，鋼-混凝土組合梁具有以下優(yōu)點：

(1)結(jié)構(gòu)自重輕，對抗震有利。

(2)已安裝鋼梁可作為模板使用，節(jié)省了模板工程量。

(3)施工工期短，且對橋下交通的影響小。

(4)鋼梁為工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，質(zhì)量可控。

(5)上部結(jié)構(gòu)不設(shè)預(yù)應(yīng)力，施工簡單，同時避免了預(yù)應(yīng)力管道的通病。

綜上所述，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在城市軌道橋梁中可以發(fā)揮出較大優(yōu)勢。

3 負彎矩橋面板開裂問題——抗拔不抗剪栓釘

栓釘連接件的抗剪作用是導(dǎo)致組合結(jié)構(gòu)墩頂負彎矩區(qū)混凝土板產(chǎn)生拉應(yīng)力的根本原因，其抗拔作用對防止混凝土板的分離和掀起，進而保障結(jié)構(gòu)整體性和界面耐久性具有重要意義。

因此，保留傳統(tǒng)連接件的抗拔作用并取消其抗剪作用，使鋼與混凝土界面在不發(fā)生分離的前提下產(chǎn)生自由滑動應(yīng)當(dāng)是釋放混凝土板拉應(yīng)力、降低混凝土板開裂風(fēng)險的有效途徑，這種新型連接技術(shù)就定義為“抗拔不抗剪連接”技術(shù)(由聶建國院士發(fā)明)?？拱尾豢辜羲ㄡ斒芰κ疽庖妶D6，抗拔不抗剪栓釘構(gòu)造示意見圖7。

圖6 抗拔不抗剪栓釘受力示意

圖7 抗拔不抗剪栓釘構(gòu)造示意

4 城市軌道交通規(guī)范特點

城市軌道交通橋梁規(guī)范與公路規(guī)范相比主要以下特點:

(1)采用允許應(yīng)力法，區(qū)分主力組合和“主+附”組合。

(2)因橋面上列車和鐵軌的作用，荷載種類比公路規(guī)范較多，具體說來，有列車橫向搖擺力、無縫線路縱向水平力、無縫線路斷軌力等。

(3)對剛度的要求較高，對工后徐變量有嚴(yán)格的限制。

4.1 荷載類型(見表4)

表4 荷載類型

4.2 剛度要求

(1)列車靜活載作用下豎向撓度容許值(見表5)。

(2)橫向自振頻率。應(yīng)不小于90/L，L為橋梁跨度，m。

表5 梁式橋跨結(jié)構(gòu)豎向撓度容許值

(3)橋墩墩頂縱向水平線剛度。梁跨大于40 m的簡支結(jié)構(gòu)，其橋墩縱向水平線剛度可按跨度與30 m比增大的比例增大(見表6)。不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的連續(xù)梁，當(dāng)聯(lián)長小于列車編組長度時，可以聯(lián)長為跨度，按跨度與30 m比增大的比例增大剛度；當(dāng)聯(lián)長大于列車長度時，可以列車長為跨度，按跨度長與30 m比增大的比例增大剛度。

連續(xù)剛構(gòu)可采用結(jié)構(gòu)的合成縱向剛度。

表6 橋墩墩頂縱向水平線剛度(雙線)

(4)墩頂?shù)膹椥运轿灰疲?/p>

式中，L為橋梁跨度，m，當(dāng)L為不等跨時，采用相鄰跨中的較小跨度；當(dāng)L<25 m時，L按25 m計；△為橋墩頂面處順橋或橫橋方向水平位移，mm，包括由于墩身和基礎(chǔ)的彈性變形及基底土彈性變形的影響。

(5)相臨墩臺沉降差要求。

(6)后期徐變上拱和下?lián)?。?dāng)跨度L≤50 m時，后期徐變上拱和下?lián)先菰S值不應(yīng)大于10 mm；當(dāng)跨度L>50 m時，上拱和下?lián)喜粦?yīng)大于L/5 000，且不應(yīng)大于20 mm。

5 結(jié) 語

鋼-混組合橋梁發(fā)揮了鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)勢，同時符合國家大力發(fā)展裝配化建筑以及化解鋼材過剩產(chǎn)能的產(chǎn)業(yè)政策，又因其輕巧美觀、易于制造和裝配、對交通影響較小等優(yōu)點，在城市軌道交通橋梁中有較大的應(yīng)用價值。