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跨座式单轨刚构体系钢轨道梁的墩梁固结构造研究
发布日期:2019-05-23 19:12:33

徐艳玲1 李盼到1 王新山2
(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 北京100082; 2.大连理工大学  辽宁大连    116024)


摘    要    墩梁固结构造是刚构体系钢轨道梁桥的关键 部位。 通过比较焊接连接、嵌套式连接、预应力锚栓连 接三种墩梁固结构造方案,创新性地提出传力机理可 靠、疲劳性能优越、 可实施性好的预应力锚栓连接方 案,并在此基础上进行锚固构造的锚固能力及预应力 锚栓受力验算,以及锚固构造稳定性计算,锚固构造的 应力计算,以此指导此类桥梁的设计工作。
关键词    跨座式羊轨交通;刚构体系钢轨道梁;墩梁固 结;间隙;应力幅
中图分类号    U231        文献标志码    A
文章编号    1672   6073(2016)02   0066   05


       跨座式单轨交通以其对线路平面小曲线、大纵坡 的良好适应能力,占地少、噪声小、桥梁景观效果好的 特点, 在 中、 小 运 力 轨 道 交 通 线 路 中 的 应 用 日 益 广 泛[1 3] 。 目前,跨座式单轨交通桥梁结构有简支体系 和连续刚构体系两种[4] ,其中简支体系桥梁最早由日 本方面提出,主要应用于小跨径的桥梁和采用双层复 合结构体系( 即梁上梁结构) 的中、大跨径桥梁,由于双 层复合结构桥梁存在工程造价高、工期长、景观效果差 等弊端,在美国、韩国等地逐渐被接缝少、行车舒适性 好、结构抗疲劳性能好,且后期养护工作量少的连续刚 构体系桥梁所取代[5] ,特别是钢轨道梁在大跨径桥梁 工程中推广应用,改善了原混凝土结构工艺复杂、施工 精度高、误差控制困难、工期长等问题,使得刚构体系 钢轨道梁的应用越来越广泛。 在刚构体系桥梁中,墩 梁固结构造是上、下部结构之间传力的重要一环,也是 桥梁整体设计的重中之重。


1    墩梁国结构造的作用
       墩梁固结构造是刚构体系桥梁荷载由上部结构向 下部结构传递的关键环节,刚构体系钢轨道梁的固结 构造受到较大的轴向压力、双方向弯矩、扭矩及水平剪 力的共同作用,受力复杂,疲劳问题突出,结构构造的 合理性、传力的可靠性、自身受力的安全性及施工的使 捷性是刚构体系钢轨道梁设计成败的关键。 墩梁固结 构造的作用主要有两个方面。

1.1  传递荷载的纽带
       固结构造是将轨道梁自重及其受到的荷载安全、 可靠地传递给下部结构的纽带,其结构构造的合理性、 传力的可靠性及受力的安全性,直接决定了桥梁的整 体安全性。
 

1.2  调高、调坡的手段
       由于跨座式单轨交通制式对轨道梁外形要求严 格,受线路平面、纵断面曲线及超高的影响,桥梁上、下 部结构外形均不相同。 为方使施工,墩台顶面一般采 用平面,轨道梁也采用标准形状,作为上下部结构之间的连接构造一一一墩梁固结构造在满足结构传力需求的 同时,可根据线路实际情况进行尺寸调整,实现调高、 调坡的功能。
       墩梁固结构造体量小,加工方便,可在工厂与主 梁一同按设计线形预制加工,待墩柱施工完毕后,运至 现场安装就位以降低施工风险,降低施工难度。

 

2   墩梁困结构造比选
       根据固结构造受到较大的轴向压力、双方向弯矩、 扭矩及水平剪力的共同作用、疲劳问题突出的受力特 点,以及调高、调坡的功能要求,充分考虑其施工的便 捷性及耐久性,借鉴现有的技术资料和条件,提出 3 种 墩梁固结构造方案进行比选。

 

2.1  焊接连接方式
       固结构造由轨道梁下支承钢板及其加劲构造、墩 顶预埋钢板及其锚固构造构成。  支承钢板及其加劲构 造在工厂与轨道梁被焊接成为整体,墩顶预埋钢板及 其 PBL锚固系统预埋人 桥墩盖梁[6刑 。施工时将轨道 梁运至现场,精确就位后,将支承钢板及其加劲构造与 墩顶预埋钢板牢固焊接即可,如图 2 所示。

       此方案构造简单,施工方便,但上、下部结构间完 全依靠支承钢板及其加劲构造与墩顶预埋钢板间的 T 形焊缝传递荷载,由于固结构造所受应力幅较大,疲劳 特点突出,对焊缝受力极为不利,再加上狭小的操作空 间对焊缝质量的影响,导致其受力安全性不高。
 

2.2  嵌套式连接
       固结构造由轨道梁下支承钢板、嵌固钢板及其加 劲构造、锚固精轧螺纹钢筋构成。  支承钢板、嵌固钢板 及其加劲构造在工厂与轨道梁被焊接成为整体,墩柱 或盖梁预留锚固孔。  施工时将轨道梁运至现场,嵌套 人盖梁或墩柱顶部,精确就位后,张拉锚固精轧螺纹钢 筋,如图 3 所示。

       此锚固构造受到的压力由支承钢板传递至盖梁顶部,拉力通过嵌固钢板与盖梁间的摩擦力传递至墩柱,因此要求对精轧螺纹钢筋施加足够的预加力。  此 方案传力机制明确,支承钢板与嵌固钢板均在工厂与 轨道梁焊接成为整体,焊缝质量及其疲劳性能可得到 保证,但由于现场浇注的墩柱与工厂加工的嵌固钢板 间的间隙不易控制,导致实施难度大。  受此影响,拉力 的传递可能失效,导致精轧螺纹受剪破坏。

 

2.3  预应力锚栓连接
       固结构造由轨道梁下支承钢板及其加劲构造、墩 顶预埋钢板、预应力锚栓及其锚固构造构成。  支承钢 板及其加劲构造在工厂与轨道梁被焊接成为整体,墩 顶预埋钢板、预应力锚栓及其锚固系统预埋人桥墩盖 梁。  施工时将轨道梁运至现场,精确就位后,张拉预应 力锚栓即可完成锚固,如图 4 所示。

       当锚栓施加足够的预加力时,此锚固构造在任何 情况下,支承钢板与墩顶预埋钢板间都不会产生拉应 力、当锚栓预加力产生的摩擦力大于固结构造所受水 平力时,锚栓也不会受剪,因此锚固构造的传力非常可 靠。  同时,此锚固构造抗疲劳性能好,也符合跨座式单 轨制式桥梁的受力特点。  但此方案的轨道梁就位时需 对孔,当预留锚栓数量较多时,施工难度将大大提高, 因此应采用大直径锚栓,尽可能减少锚栓数量。
       通过对上述 3 种方案的优缺点进行分析发现,预 应力锚栓连接方式传力机理更为安全可靠,且具有较 强的可实施性,因此推荐采用此方案。

 

3   墩梁困结构造验算
       墩梁固结构造是刚构体系钢轨道梁受力的关键环节,其传力的可靠性直接决定着桥梁的整体受力性能, 因此必须对其进行全面、精确的受力分析。 根据其受 力特点,验算内容主要包括:锚固构造的锚固能力及预 应力锚栓受力验算,锚固构造稳定性计算,锚固构造的 应力计算。

 

3.1  计算模型
       墩梁固结构造的验算虽然仅是解决局部受力安全 性的问题,但其对桥梁的整体安全性影响很大,必须采 用精细化的仿真分析才能满足需要,为降低计算分析 工作量,可采用局部的脱离体模型进行。 本次研究对 墩梁固结部位采用大型通用有限元程序 ANSYS 进行 建模计算,有限元模型如图 5 所示。

       昆凝土采用实体单元 so1id65 模拟,钢梁采用板单 元 she1163 模拟,精轧螺纹钢采用 3D杆单元 1ink10 模 拟,设置成仅有受拉特性。 为计算钢箱梁底板与昆凝土盖梁之间只能受压不能受拉的非线性行为,在钢箱梁底板与昆凝土盖梁表面之间设置微小间隙1  mm,在 其间建立杆单元 1ink10,并打开其仅受压特性。 预应力 锚栓采用精轧螺纹钢,其锚固端和张拉端处采用节点 榈合的方式模拟锚垫板和钢板的协同变形和受力。 精 轧螺纹钢的初始内力为 500  kN,初始应力为 620  MPa, 采用初始应变的方式施加。 为便于计算和分析,盖梁 采用等截面,其高度取 1.5  m;外荷载根据整体结构计 算结果施加于距梁端 3  m的截面形心处。

 

3.2  锚固能力验算
3.2.1  转角位移固结验算

       当预应力锚栓的预紧力足以克服所有外荷载对其 产生的拉力时,锚固构造的支承钢板与墩顶预埋钢板 间将没有相对转动位移发生,此时锚栓的应力几乎维 持不变,基本不存在疲劳问题,此时可定义为转角完全 固结构造。 但在多数情况下,受固结构造及下部结构 盖梁尺寸的影响,很难布置足够的锚栓,因而就不能施 加足够的预紧力达到转角完全固结的目的,此时可设计为部分转角固结构造,即允许支承钢板与墩顶预埋 钢板间产生部分间隙,但此时需保证锚栓的最大应力 及应力幅满足要求。

       对于部分转角固结构造,固结构造的最大脱离间 隙值与预应力锚栓的最大应力及应力幅值间存在如下

       对应关系式中,Aσmax为锚栓最大应力幅值;AUmax为最大脱离间 隙;L 为锚栓计算长度;E为锚栓弹性模量;σmax为锚栓 最大应力。
       根据对某中墩墩梁固结构造计算结果可以发现 ( 见图 6),随着墩顶弯矩的增大,部分转角构造的脱离 间隙和脱离比例相应增大,对应精轧螺纹钢筋应力的 绝 对 值 也 相 应 增 大, 当 墩 顶 弯 矩 在 最 不 利 弯 矩 12 000  kN•m作用下, 部 分 固 结 构 造 脱 离 间 隙 约1.5  mm,脱离比例小于 50%,接触面未出现脱离,此时 锚栓最大拉应力为 760  MPa,可满足 JL32 精轧螺纹钢 筋的使用要求,使结构受力安全。

 

3.2.2  水平抗剪性能验算
       根据墩梁固结的构造特点和工作原理,其水平抗 剪承载力应由支承钢板与墩顶预埋钢板间的静摩擦力 来提供,不允许预应力锚栓承受剪切作用。 即

式中,Fmax为锚固构造需要传递的最大水平力;豆N为 锚固构造受到的轴向力,包括锚栓的预紧力及轨道梁 传递的恒载竖向力;µ为 支承钢板与墩顶预埋钢板间 的摩擦系数。
        计算结果表明,墩梁固结处的水平剪力最大值由 抗震设计控制,且纵向水平剪力大于横向水平剪力,因 此,纵向地震力作用下的抗剪验算结果见表 1.


       可以看出,中墩固结构造的抗剪安全系数在 1.6 ~5.0 之间。  其中下限值为接触面粗糙度较小的情况,实 际施工时可采取措施增大接触面的粗糙度,以保证墩 梁固结构造具有较大的水平抗剪承载能力。

 

3.3  稳定性验算
       由于固结构造需要承受轨道梁传递的双向弯矩、 扭矩及水平力的共同作用,再加上锚栓施加的强大轴 向力,对固结构造的稳定性影响很大,因此必须对其受 力稳定性进行验算( 见图 7)。

       可以看出,该构造设计的一阶失稳模态稳定安全 系数为 21.7,且并未发生在固结构造处,因此稳定性满 足要求。
 

3.4  构件应力验算
       由于固结构造受力复杂,存在应力集中区域,需对 固结构造进行  的应力审查,找出应力集中部位,通 过优化构造,避免或改善结构的应力集中效应(见图 8)。

       可以看出,该墩梁固结构造应力集中区域出现在 固结区腹板及刚度过渡板处,除精轧螺纹钢筋锚固端 部出现大于 200  MPa的应力集中现象外,锚固区腹板 及加劲板的应力水平均在 200  MPa以内;主梁顶部未出现较大的应力状态,梁顶钢结构应力水平在 50  MPa左右,叠合层混凝土应力水平在 4.0  MPa左右;固结区 盖梁顶部混凝土除预埋钢板边缘出现较大应力集中现 象外,盖梁顶部混凝土压应力水平在 16.2  MPa以内, 可满足设计要求。


4   结语
       本文通过分析刚构体系钢轨道梁墩梁固结构造的 功能需求,提出 3 种构造设计方案,比较其自身优缺点 及适用性,推荐采用预应力锚栓连接方案,并在此基础 上对墩梁固结构造的验算内容及验算方法进行了研 究,得到如下结论:
       1)  墩梁固结构造不但要满足传力需求,还要具有调高、调坡的能力;
       2)  墩梁固结构造推荐选用构造合理、传力机理可 靠、疲劳 性 能 优 越、 可 实 施 性 好 的 预 应 力 锚 栓 连 接 方案;
       3)  在实际工程中,应建立仿真模型对墩梁固结构 造进行精确的数值分析,需对其转角位移固结能力、水平抗剪性能、稳定性及构 应力进行   算,确保其 传力可靠,受力安全。


收稿日期, 2015 04 16 修回日期, 2015 06 09
作者简介, 徐艳玲,女,硕士,从事桥梁设计工作,xuyanIing@bmedi cn

 

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