軌道交通簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)分析范文

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1引言

新建鐵路廣州至珠海(含中山至江門)城際快速軌道交通工程橋梁占全線95%以上,本線具有以下特點(diǎn):(1)多種交路主要開行站站停車,兼顧廣州以遠(yuǎn)路網(wǎng)車及廣州至珠海直達(dá)車。(2)多種運(yùn)行速度本線速度目標(biāo)值為200km/h,主要考慮直達(dá)車,而站站停車的最高運(yùn)營(yíng)速度為140km/h,珠海金唐車站后線路設(shè)計(jì)速度實(shí)際已降至80km/h,成為完全的城市軌道交通。(3)設(shè)置站點(diǎn)多且分布密集線路正線全長(zhǎng)143.70Km,21個(gè)車站,最大站間距12Km,最小站間距3Km。(4)列車追蹤間隔短,按2min設(shè)計(jì)。(5)運(yùn)營(yíng)車輛采用動(dòng)力分散式車組。因此,廣珠城際快速軌道交通工程綜合了單式城際鐵路與復(fù)式城際鐵路特點(diǎn),具有城市內(nèi)輕軌、城市間快速交通、客運(yùn)專線路網(wǎng)的特點(diǎn),又與城市內(nèi)輕軌、客運(yùn)專線、一般鐵路有區(qū)別,目前尚屬新型的交通形式。圖1和圖2為廣珠城際簡(jiǎn)支梁效果圖。

2關(guān)于活載圖式標(biāo)準(zhǔn)

本線運(yùn)營(yíng)車輛采用動(dòng)力分散式動(dòng)車組,六輛編組,車輛活載圖式如圖3。根據(jù)廣珠城際特點(diǎn),經(jīng)過研究確定廣珠城際快速軌道交通工程橋梁采用UIC荷載圖式值乘以系數(shù)作為廣珠快速城際軌道橋梁設(shè)計(jì)荷載圖式標(biāo)準(zhǔn)如圖4示。經(jīng)研究,跨度小于10m梁或進(jìn)行局部構(gòu)件檢算時(shí),計(jì)算效應(yīng)0.6UIC比實(shí)際車輛運(yùn)營(yíng)活載小,特別對(duì)臨時(shí)施工設(shè)備用的鋪軌機(jī)、架橋機(jī)荷載作用時(shí),0.6UIC并不能完全包絡(luò),因此根據(jù)“荷載圖式”另考慮驗(yàn)算車輛荷載軸重情況,采用四軸軸重為19.5t如圖5所示荷載圖式作為廣珠城際驗(yàn)算活載圖式,同時(shí)也作為小跨度橋涵結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充。經(jīng)過計(jì)算表明:(1)換算均布靜活載效應(yīng)廣珠城際活載圖式作用下簡(jiǎn)支梁跨中彎矩為廣珠城際實(shí)際運(yùn)營(yíng)車輛荷載作用下跨中彎矩2倍左右,支點(diǎn)反力為廣珠城際實(shí)際運(yùn)營(yíng)車輛荷載作用下1.5倍左右。(2)換算均布動(dòng)活載效應(yīng)①?gòu)V珠運(yùn)營(yíng)車輛荷載與廣珠城際活載圖式活載效應(yīng)比較,換算均布動(dòng)活載效應(yīng)的平均值跨中彎矩為0.6UIC的52.42%,支點(diǎn)反力為0.6UIC的61.94%。②0.6UIC與中-活載及國(guó)內(nèi)典型動(dòng)車組比較,0.6UIC荷載換算均布活載效應(yīng)平均值跨中彎矩為中-活載的65.73%、“中華之星”的225.96%、“神州號(hào)”的143.65%、“先鋒號(hào)”的288.15%、“法國(guó)TGV”的172.37%、“德國(guó)ICE”的148.49%。由此可見,0.6UIC除不能滿足大宗貨物運(yùn)輸?shù)呢涇囃?其它的客車無論是動(dòng)力分散式還是動(dòng)力集中式車組都能進(jìn)行包絡(luò)。但本線為客運(yùn)性質(zhì),無需考慮貨車的問題。(3)廣珠城際活載圖式標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展系數(shù)廣珠城際軌道橋梁活載圖式將將0.6UIC做為設(shè)計(jì)荷載,發(fā)展系數(shù)1.6高于國(guó)內(nèi)外發(fā)展系數(shù)平均水平1.488,處于國(guó)內(nèi)外發(fā)展系數(shù)1.124~1.834之間,具備足夠的荷載發(fā)展儲(chǔ)備。

3主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

3.1動(dòng)力系數(shù)廣珠城際活載作用下動(dòng)力系數(shù)按下面公式采用φ=2.16L-0.2+0.73式中:L-結(jié)構(gòu)的計(jì)算跨度

3.2梁體變形限值根據(jù)廣珠城際快速軌道交通工程橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)制定橋梁設(shè)計(jì)梁體變形限值如下:(1)豎向撓度梁部結(jié)構(gòu)在廣珠城際活載乘以動(dòng)力系數(shù)φ后的作用下,梁體的豎向撓度不應(yīng)大于表1所列數(shù)值。(2)梁的水平撓度在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力的作用下,梁體的水平撓度應(yīng)不大于梁體計(jì)算跨度的1/4000。(3)梁端轉(zhuǎn)角:在廣珠城際活載乘以動(dòng)力系數(shù)φ后的作用下,梁端豎向折角不應(yīng)大于1‰rad。(4)由墩臺(tái)橫向水平位移差引起的相鄰結(jié)構(gòu)物軸線間的水平折角不得超過1‰。確定水平折角按以下荷載組合進(jìn)行計(jì)算:考慮動(dòng)力系數(shù)的列車活載,離心力,橫向搖擺力,橋墩、梁體和車上的風(fēng)荷載,橋墩和梁體結(jié)構(gòu)的溫度差,以及因地基位移造成的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3預(yù)拱度的設(shè)置當(dāng)由恒載及靜活載引起的豎向撓度等于或小于10mm可不設(shè)預(yù)拱度,大于上述數(shù)值時(shí)應(yīng)設(shè)預(yù)拱度;預(yù)拱度的數(shù)值曲線與恒載及1/2靜活載所產(chǎn)生的撓度曲線基本相同,但方向相反。預(yù)應(yīng)力混凝土梁,計(jì)算預(yù)拱度時(shí)尚應(yīng)考慮預(yù)加應(yīng)力的影響。

3.4強(qiáng)度安全值、抗裂安全值、應(yīng)力等規(guī)定強(qiáng)度安全值大于2.2,抗裂安全值、應(yīng)力、普通鋼筋的配置與裂縫寬度的計(jì)算等均按現(xiàn)行鐵路規(guī)范執(zhí)行。

4梁體設(shè)計(jì)

4.1梁體截面選擇橋梁截面形式是高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提,箱梁是目前國(guó)內(nèi)外城市軌道交通高架區(qū)間普遍采用的主要梁部結(jié)構(gòu)形式。上海輕軌9號(hào)線在國(guó)內(nèi)率先采用了簡(jiǎn)支組合箱梁,國(guó)外意大利高鐵設(shè)計(jì)了單箱截面、單箱雙室截面及多箱室截面梁。由于箱梁結(jié)構(gòu)采用了閉合截面,其抗彎、抗扭性能好,并具有外觀簡(jiǎn)潔、整體性強(qiáng)、剛度大、結(jié)構(gòu)耐久性好的特點(diǎn),此外,箱梁還具有良好的動(dòng)力特性,在列車走行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲均相對(duì)較小,有利于城市的環(huán)境保護(hù);由于其剛度較大,混凝土后期徐變上拱較小,尤其適用于無碴軌道的應(yīng)用。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要,箱梁可以采用單箱或多箱截面梁。廣珠城際軌道交通工程全線95%以上均為高架橋,位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城鎮(zhèn)化程度高的珠江三角經(jīng)濟(jì)帶,對(duì)橋梁景觀要求高,同時(shí)要求施工架梁方便,對(duì)周邊影響小。因此,廣珠城際軌道交通橋梁截面形式采用箱形截面形式,考慮在滿足使用功能的前提下,力求經(jīng)濟(jì)、美觀、方便施工,確定了以下4種圓弧形翼板斜截面箱梁形式:單箱雙室、雙箱單室、三箱單室和四箱單室。各截面梁的適用工點(diǎn)及施工方法:(1)單箱雙室梁:適用于雙線,全線均可使用,主要是考慮該截面梁重較重(600t),既可采用現(xiàn)澆施工,也可預(yù)制架設(shè)。主要應(yīng)用在道路不通暢大面積荒地、魚塘、稻田等空地。(2)雙箱單室梁:適用于雙線,全線均可使用,采用預(yù)制架橋機(jī)架設(shè)后通過隔板連接成一整體,每片梁重量300,t易于施工。(3)三箱單室梁:適用于雙線;梁重較輕,采用預(yù)制架設(shè),每片梁重180t。橫向通過隔板連接成一整體,全線均可使用,但主要應(yīng)用于線路與公路夾角較小,與門式墩或多柱墩相配套,可改善門式墩橫梁受力。(4)四箱單室梁:適用于雙線;梁重較輕,采用預(yù)制吊裝架設(shè),每片梁重150t。橫向通過隔板連接成一整體,主要應(yīng)用于高架車站。

4.2梁高的確定在確定梁的高度時(shí),主要考慮以下因素:(1)滿足規(guī)范所規(guī)定的剛度要求及橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果;(2)配合線路標(biāo)高和橋下凈空的要求;(3)滿足運(yùn)輸和架設(shè)的要求;(4)考慮各種跨度的梁的高度變化規(guī)律,應(yīng)盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化,以利模板的互用。據(jù)既有預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),高跨比h/L約為1/10~1/16,且跨度越大,比值越小,考慮到廣珠城際活載相對(duì)客運(yùn)專線較小,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)單箱雙室和雙箱單室截面形式的梁型梁高從2.1~2.4m(1/13~1/15),進(jìn)行了比選,比選結(jié)果如表2。從表2可以看出,各截面梁梁高2.2m時(shí),剛度指標(biāo)能滿足相關(guān)技術(shù)要求,考慮到不同跨度,不同截面梁型梁高統(tǒng)一盡量標(biāo)準(zhǔn)化,以利于設(shè)計(jì)施工,因此廣珠城際簡(jiǎn)支梁梁高均定為2.2m。

5廣珠城際簡(jiǎn)支梁橋動(dòng)力動(dòng)力特性分析

通過對(duì)廣珠城際4種32m跨度簡(jiǎn)支梁分別配以不同墩高及墩型后構(gòu)成雙線簡(jiǎn)支梁橋的動(dòng)力特性及列車走行性進(jìn)行分析與計(jì)算,得出如下結(jié)論:(1)在所有計(jì)算工況下,橋梁的動(dòng)力響應(yīng)均滿足要求;各車的車體豎、橫向振動(dòng)加速度滿足限值要求,列車行車安全性滿足要求。(2)當(dāng)?shù)聡?guó)ICE3動(dòng)力分散獨(dú)立式高速列車、法國(guó)TGV鉸接式高速列車、國(guó)產(chǎn)高速列車以車速250~350km/h、先鋒號(hào)列車以車速140~270km/h通過各橋梁(單線行車或雙線對(duì)開)時(shí),列車的乘坐舒適度均達(dá)到“良好”以上。綜上所述,4種32m跨度簡(jiǎn)支梁分別配以不同墩高及墩型后構(gòu)成雙線簡(jiǎn)支梁橋具有良好的動(dòng)力特性及列車走行性,能夠保證列車運(yùn)行的安全性和乘坐舒適性。

6廣珠城際簡(jiǎn)支梁的經(jīng)濟(jì)性

廣珠城際各類型簡(jiǎn)支梁每孔梁主要數(shù)量及國(guó)內(nèi)客運(yùn)專線簡(jiǎn)支梁主要數(shù)量對(duì)比如表3。從表3可以看出,廣珠城際32m簡(jiǎn)支梁主要梁型單箱雙室截面類型和雙箱單室截面類型與秦沈客專、250Km/h客貨共線、350Km/h客運(yùn)專線簡(jiǎn)支梁相比,混凝土方量節(jié)約較多,每孔梁比秦沈客專梁可節(jié)約47.4m3,比250Km/h客貨共線簡(jiǎn)支梁可節(jié)約73.8m3,比350Km/h客運(yùn)專線簡(jiǎn)支梁可節(jié)約86.3m3,鋼絞線用量上與三種簡(jiǎn)支梁用量相當(dāng),普通鋼筋含筋量指標(biāo)比三種簡(jiǎn)支梁略高,但總量上與秦沈相當(dāng),比250Km/h客貨共線及350Km/h客專少10t左右;對(duì)于三箱、四箱單室簡(jiǎn)支梁與秦沈相比材料用量相當(dāng),比250Km/h客貨共線及350Km/h客專用量要少,但三箱、四箱單室簡(jiǎn)支梁占全線比重只有5%~8%左右,另外,由于梁高較低,有效降低橋梁高度,可節(jié)約下部基礎(chǔ)材料用量,因此廣珠城際簡(jiǎn)支梁經(jīng)濟(jì)性良好,可節(jié)約大量投資。

7結(jié)束語

城際快速軌道交通的建設(shè)在我國(guó)尚屬首次,橋梁的設(shè)計(jì)和施工均有一個(gè)不斷完善的過程。在梁部設(shè)計(jì)中除遵循現(xiàn)有鐵路規(guī)范外,還參照了國(guó)外的設(shè)計(jì)規(guī)范及國(guó)內(nèi)公路規(guī)范,對(duì)梁體豎向、橫向剛度限值,通過車橋動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算來確定。廣珠城際軌道交通簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)先進(jìn),經(jīng)濟(jì)合理,輕巧實(shí)用,方便施工,在今后大規(guī)模的城際軌道交通建設(shè)中,無疑具有良好的應(yīng)用前景。