重庆轻轨较新线一期工程ＰＣ轨道梁结构设计
摘 要:详细介绍重庆轻轨较新线一期工程ＰＣ轨道梁结构设计的设计分类、设计标准和检算内容与方法。
关键词:城市轨道;跨座式;单轨;轨道梁;结构设计
1 工程概况
重庆轻轨较新线一期工程是西部大开发十大工程之一,是我国首次将跨座式单轨交通系统作为城市轨道交通方式。一期工程包括正线、车辆段及综合基地,正线线路长度14336双线米(含站后折返线),车辆段及综合基地(含出、入段线及试车线)线路长度6038 7单线米。本工程线路除道岔区外,都由轨道梁组成,轨道梁中除部分区段采用中等跨度(40～80ｍ)钢轨道梁及在车辆段综合基区段部分采用钢筋混凝土轨道梁外,其余区段上为ＰＣ轨道梁。一期工程(含基地、出入段线及试车线)轨道梁总长33605 11ｍ,共计1701片。其中,预制ＰＣ轨道梁32918 81ｍ,1631片;现浇ＲＣ轨道梁686 30ｍ,70片。
2ＰＣ轨道梁的分类
跨座式单轨交通系统中,轨道梁不仅作为承重的结构物,同时也是车辆运行的轨道,受车辆走行面控制,轨道梁均采用标准截面。正线及基地内全程均需铺设轨道梁。
(1)轨道梁分类依据
根据施工工艺的不同,轨道梁分为预应力混凝土轨道梁(简称ＰＣ轨道梁)和普通钢筋混凝土轨道梁(简称ＲＣ轨道梁)。ＰＣ轨道梁采用工厂预制,通过汽车吊或架桥机架设的施工方法,形成线路的质量及精度较高,同时制作成本较高。正线一般为载客行驶且行车速度较高,考虑到行车的安全和舒适度需要,采用预制ＰＣ轨道梁。ＲＣ轨道梁采用现浇施工。基地内曲线半径限制不能采用活动模板制梁的地段及挖方区基岩出露地段采用ＲＣ梁,其余地段仍采用预制ＰＣ轨道梁。ＲＣ梁制作精度较预制ＰＣ轨道梁差,成本相对较低,但基地内一般为空车且低速运行,对行驶舒适度要求较正线低,故采用现浇ＲＣ梁也可满足要求。
(2) ＰＣ轨道梁分类
ＰＣ轨道梁分类的目的是为了满足结构受力分析、构造设计以及方便施工的需要,主要根据桥跨和曲线半径划分,当与道岔相接、与工艺梁相接时,ＰＣ轨道梁由于采取构造措施,需要增加类别。基地内ＰＣ轨道梁由于活载轴重不同于正线,也需要增加类别。
一期工程正线、出入段线及试车线ＰＣ轨道梁分27类(ＧＬⅡ01～22、30～34),基地ＰＣ轨道梁分7类(ＧＬⅡ23～29),见表1。
3 ＰＣ轨道梁设计技术标准
(1) 设计活载如图1所示,正线、出入段线及基地内试车线单轨车辆设计荷载按满员时(轴重110ｋＮ,计算采用重心距走行面1 3ｍ)考虑,基地内其余库线单轨车辆设计荷载按定员时(轴重90ｋＮ,计算采用重心距走行面1 2ｍ)考虑,疲劳检算按定员活载计算。
(2) 冲击系数:ｉ=20/(50+Ｌ),Ｌ为计算跨径。
(3) 自重:混凝土容重γ=26ｋＮ/ｍ3。
(4) 二期恒载:ｑ=2 8ｋＮ/ｍ。
(5) 车辆横向荷载按作用在行驶面高度处水平作用于与轨道轴线方向垂直的单轴集中荷载考虑,其大小为单轨车辆设计荷载单轴轴重的25%。
(6) 离(向)心荷载:设计时考虑轨道梁按设计超高斜置,最大欠超高设为Ｃ欠=0 05,最大过超高设为Ｃ过=0 03,相应的离心力Ｐ离=Ｐ·Ｃ欠,向心力Ｐ向=Ｐ·Ｃ过。
(7) 风荷载:无车时风压Ｗ1=0 .845ｋＰａ,有车时风压Ｗ2=0. 8Ｗ1=0 .676ｋＰａ,根据《铁路桥涵设计基本规范》(ＴＢ100021 1-99)得到:基本风压Ｗ0=500Ｐａ,Ｋ1=1 .3,Ｋ2=1 .3(Ｈ=50ｍ),Ｋ3=1 .0,无车时风压Ｗ1=Ｋ1Ｋ2Ｋ3Ｗ0=845Ｐａ。
(8) 地震荷载:重庆市地震基本烈度为6度,按7度设防。在设计中根据《铁路工程抗震设计规范》(ＴＢＪ111-87)按7度取水平地震系数Ｋｈ=0. 10。计算地震荷载时活载按定员考虑,轴重Ｐ=90ｋＮ,且不计冲击。
4 ＰＣ轨道梁结构(图2)
(1) 截面形式
跨中采用空心工字形截面,梁高1 .500ｍ,梁宽0 .850ｍ,一般情况下两端及中间共设5个横隔板,当跨度变化时,增减跨中可调整区段的长度,中间的横隔板数量依梁长调整。
(2) 梁缝
梁缝主要为满足温度变化引起的梁长变化以及架设的要求设置。一般情况下,ＰＣ梁接ＰＣ梁标准梁缝宽30ｍｍ,支承中心距设计墩中线400ｍｍ;当ＰＣ梁与道岔固定端相接时,梁缝宽30ｍｍ,支承中心距设计墩中线950ｍｍ;当ＰＣ梁与道岔活动端相接时,梁缝宽95ｍｍ,支承中心距设计墩中线1120ｍｍ;当ＰＣ梁与钢轨道梁相接时,梁缝宽65ｍｍ,支承中心距设计墩中线400ｍｍ;当ＰＣ梁与轨道梁桥上开始或结尾处ＰＣ梁相接时,梁缝宽根据轨道梁桥的温度长度选60ｍｍ或90ｍｍ,支承中心距设计墩中线415ｍｍ或430ｍｍ;当ＰＣ梁位于线路起点或终点时,起点或终点侧不设梁缝。
(3) 预应力体系
预应力钢筋采用7φ5ｍｍ(公称直径15 24ｍｍ)预应力钢绞线,每束由3根或4根钢绞线组成,锚具采用成套Ｍ15-3和Ｍ15-4(锚具型号以Ｍ示意)夹片式锚具。管道形成采用内径50ｍｍ波纹管,张拉设备采用相应型号的千斤顶。
(4)材料
①混凝土:主梁采用Ｃ60混凝土,但要求混凝土弹性模量达到Ｅｃ=3 .75×104ＭＰａ。
②预应力钢筋:预应力钢绞线强度级别为1860ＭＰａ,Ⅱ级松弛,技术条件满足《预应力混凝土用钢绞线》(ＧＢ/Ｔ5224)要求。弹性模量Ｅｐ=1. 95×105ＭＰａ。
③锚具:锚具应符合《预应力筋用锚具、夹具和连接器》(ＧＢ/Ｔ14370)规定,并具有良好的耐疲劳性能。
④普通钢筋:Ⅱ级(20ＭｎＳｉ)钢筋其技术条件应符合《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(ＧＢ1499)要求,Ⅰ级(Ｑ235)圆钢筋其技术条件满足《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(ＧＢ13013)要求。
5ＰＣ轨道梁结构计算
5.1结构计算图式(图3)
(1)将轨道梁简化为图3所示简支超静定曲线梁,采用作者编制的ＴＢＡＳ软件进行结构分析。
(2)由于通过梁体斜置设置曲线超高使横截面倾斜,自重、二期恒载和活载(停车)在横截面上产生双向弯矩,活载(停车)在截面内产生扭矩。
5.2设计条件
(1) 荷载分类
主力:静荷载,动荷载,冲击荷载,离心荷载,预应力,混凝土的徐变影响,混凝土的收缩影响。
附加力:风压荷载,车辆横向荷载,地震荷载,架设时的荷载。
(2) 荷载组合
运营阶段荷载组合见表2,破坏阶段荷载组合见表3。
(3) 应力提高系数
① 静荷载+动荷载+冲击荷载+车辆横向荷载+离心荷载 应力提高系数为1 .0;
②①+风压荷载 应力提高系数为1 .15;
③①+地震荷载 应力提高系数为1 .50。
（4）材料强度及容许应力
② Ｃ60混凝土(表4)
（5）预应力损失
① 预应力损失锚口摩阻按0 .07σｋ计算。
② 松弛损失σＬ2=0. 025σｙ。
③ 摩阻损失μ=0 .26,ｋ=0 .0030/ｍ。
④ 锚头变形引起的预应力筋回缩量,每端6ｍｍ。
⑤ 收缩和徐变损失:徐变系数终极值=2. 2;收缩系数终极值ε=2. 2×10-4。
⑥ 其他损失,按《铁路桥涵设计规范》(ＴＢ10002-99)计算。
5.3 结构检算
(1) 混凝土正应力检算
按弹性阶段检算各阶段构件内的混凝土正应力。共考虑13种组合,见表2。
一般情况下,无风时,组合(5)截面下缘内侧最小应力控制;有风时,组合(12)截面下缘内侧最小应力控制;截面最大应力不控制设计。
(2) 截面强度检算
按破坏阶段检算构件截面强度。考虑4种组合, 见表3。
强度系数:Ｍｕ/Ｍｊ≥1 00,式中,Ｍｕ为构件承载力弯矩;Ｍｊ为极限状态下荷载组合值。
组合Ⅰ控制设计。
(3)抗裂性检算
抗裂系数 Ｋｆ=(σｃ+γｆｃｔ)/σ≥1. 2。
(4)剪应力及主应力检算
在设计荷载作用下检算混凝土的最大剪应力,在抗裂荷载作用下检算混凝土的主拉应力和主压应力。
(5)预应力钢筋应力检算
包括传力锚固阶段和运营阶段的预应力钢筋应力检算以及运营阶段预应力钢筋的应力幅检算。
(6)静活载挠度检算
(7)运架梁检算
本线在架设过程中使用了运梁车和架桥机,因此必须检算运梁车和架桥机通过ＰＣ轨道梁架设的各个工况结构的安全。架桥机自行通过Ｒ=100ｍ曲线时工况和运梁车运送22ｍ梁通过Ｒ=100ｍ曲线时工况为控制工况。其中的关键在于保证运梁车调平装置的精度,尽可能减小横向坡度,从而减小对梁的扭矩。
对于使用汽车运梁和汽车吊或龙门吊架梁的情况,要对ＰＣ梁吊点位置进行检算。一般要求吊点位置在梁端1 6ｍ范围内。
(8) 存梁检算
预制ＰＣ梁在台车上初张拉后便移至存梁台,在存梁台进行终张拉,所以要检算上述两种工况下的结构应力、强度和抗裂性。在满足规范要求情况下得到存梁支点的布置范围。
(9)适用范围计算
ＰＣ轨道梁是分类设计的,每一类型的轨道梁都有其桥跨和半径适用范围,在设计时必须保证适用范围内的结构都是安全的。一般考虑结构处于最大桥跨、最小半径和最小桥跨、最大半径两种极端情况之间,按这两种情况进行(1)～(8)的检算。
6 结语
(1)ＰＣ轨道梁采用按桥跨和曲线半径分类设计的方法可简化桥梁结构设计工作量,其施工图可作为通用图在类似工程中使用。
(2)荷载组合与一般的轻轨桥梁不同,充分考虑了跨座式单轨交通ＰＣ轨道梁的受力特点。
(3)设计参数和设计方法可作为跨座式单轨交通ＰＣ轨道梁的设计标准。
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