標準跨連續剛構橋梁的設計摘要:隨著我國城市快速軌道交通建設的高速發展,搭乘快捷、舒適、安全的地鐵縱橫馳騁于城市的東南西北也便成了人們首選的交通工具,而高架的鋪設方式也日益成為地鐵建設的一種主要方式,巴黎地鐵十三號線高架橋、里爾地鐵高架橋、新加坡地鐵高架橋、香港輕軌跨線橋高架橋都在地鐵運營中發揮了重要的作用。關鍵詞:橋梁;標準跨連續剛構;設計1概述 地鐵線路敷設方式分高架和地下兩種,其中高架線具有造價低(約為地下線的1/3~1/2)、設備系統少、運營成本低、工程實施進度快的特點,一般運用在郊區、城市組團間聯系區、生態綠化區這些對景觀、環境要求不高的地方,從節約造價和運營成本出發,可以采用高架線的地鐵線路敷設方式。 高架橋一般分為簡支梁橋、連續梁橋、連續剛構橋及單跨剛構橋,其中連續剛構是墩梁固結的連續結構,減少了橋梁支座及支座養護上的麻煩,且在有較高墩的連續結構中,可以利用高墩的柔性來適應結構由于預應力、混凝土收縮、徐變和溫度變化所引起的位移,減少墩的彎矩,從而減少橋墩及基礎工程的材料用量,如果在標準跨連續剛構中采用雙薄壁墩型式,還具有支點固結彎矩由雙壁力偶分配,使全梁受力均勻,便于設計成等高梁以及視覺上通透、纖細的優點。2標準跨連續剛構橋梁的設計2.1梁體截面型式選擇 目前國內外所普遍采用的高架橋梁型結構,常用的橫截面類型有箱形梁、T形梁和U形梁。其中箱型截面梁是橋梁結構中廣泛采用的截面形式,適用面很廣,在我國大、中、小跨度公路、鐵路橋梁均有成熟的技術。區間可采用單線單箱或雙線單箱形式,下部外型還可以設成圓形或弧形,外形美觀,城市景觀好。箱型截面受力合理,抗彎及抗振性能好,結構產生的噪音影響較小。箱型截面又可分為雙線單箱截面及單線單箱截面。其中雙線單箱截面按腹板呈直線及弧度的大小有4種截面,如下圖所示。
2.2高架區間結構設計 高架區間一般以三跨一聯的標準跨度連續剛構為常見的結構形式。2.2.1結構計算模型 結構計算模型見下圖。2.2.2計算荷載 ①結構自重:混凝土容重按25kN/m3計。 ②列車荷載:按列車的最大軸重、軸距及近、遠期中最長的列車編組確定。 ③列車豎向動力系數:1+μ=1+0.8×12/(30+L) ④列車制動力和牽引力:按列車豎向靜活載的15%計算,計算中區間雙線計一線。 ⑤無縫線路的伸縮力、撓曲力、斷軌力計算中,軌道縱向阻力按10.0kN/m~12.0kN/m/軌計算。 ⑥離心力:靜活載乘以離心力率C,C=V2/127R ⑦列車橫向搖擺力:按列車相鄰兩節車四個軸重的15%計算。 ⑧風荷載:基本風壓按1200Pa計。 ⑨混凝土收縮、徐變:預應力加載時齡期按60d計算至1500d。 ⑩溫度影響:廣州地區合攏溫度一般按20℃考慮,最冷月平均溫度按13℃計,最熱月平均溫度按28℃計,橋面升溫按5℃計。 ⑾基礎變位影響:不均勻沉降按10mm考慮,更換支座按10mm考慮。 ⑿人群荷載:檢修、人行通道上按4kN/m2計。 ⒀地震力:廣州地區抗震設防烈度為7度。 ⒁橋上二期恒載:40kN/m每線(包括橋上防水層、軌枕板、線路設備、管線)。 ⒂施工荷載:根據工程實際進行計算(見荷載分類表)。2.2.3內力組合2.2.3.1主力 ①自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變 ②自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位 ③自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+無縫線路縱向水平力(伸縮力、撓曲力) ④自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(伸縮力、撓曲力) ⑤自重+二期恒載+預加應力+活載(單列)+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(伸縮力、撓曲力)2.2.3.2主+附 ①自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(一線伸縮力、撓曲力)+制動力(另一線)+溫度影響力+橫向搖擺力 ②自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(一線伸縮力、撓曲力)+制動力(另一線)+溫度影響力+風力 ③自重+二期恒載+預加應力+活載(單列)+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(一線伸縮力、撓曲力)+制動力(另一線)+溫度影響力+橫向搖擺力2.2.3.3主+特殊荷載 ①自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(三軌伸縮力、撓曲力)+斷軌力(一軌) ②自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+地震力 根據以上內力組合找出最不利的工況,計算出該工況下結構的軸力、彎矩、剪力及扭矩,從而根據計算公式可反算出結構的配筋。2.2.4主要設計標準 ①《地鐵設計規范》(GB50157-2003); ②《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1-99); ③《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2-99); ④《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3-99); ⑤《鐵路橋涵鋼筋混凝土和砌體結構設計規范》(TB10002.4-99); ⑥《鐵路工程抗震設計規范》(GBJ111-87); ⑦《鐵路橋涵施工規范》(TB10203-2002 J162-2002)。3橋梁的防噪減震措施3.1噪音的產生 地鐵列車經過高架橋時所產生的噪音主要有以下三部分組成(見圖1)。3.1.1車輪及軌道的噪音 是由車輪與車軌的摩擦及火車的推動系統所造成。3.1.2結構振動所發出的噪音 結構所散發的噪音是由列車行駛時橋梁結構的震動所產生的噪音。3.1.3空調噪音 空調噪音主要來自車廂上的空調及其發動機,并由空調本身的運作和設定規范控制,所以與高架橋結構的設計沒有直接關系。3.2防噪減震措施 高架橋上的防噪,可以采用以下措施(見圖2): ①選擇剛度大、自振頻率低的閉合截面箱型梁結構; ②結構設計中,適當的優化截面,盡量使腹板支承在鋼軌下部; ③敏感地段在橋上部兩側加設隔音屏障,內噴吸音材料; ④設浮置板道床,并在橡膠支承的底部加上軟墊。4結束語 綜上所述,高架的敷設方式已普遍地應用于我國的地鐵建設中,它不但為市民的出行提供了極大的便利,也成為一個城市的主要標志和景觀,如何保證橋梁的結構既安全又美觀,就要求我們設計人員在設計的過程中根據周邊環境選取合適的結構形式,并對受力進行嚴謹的計算分析;為了盡量降低地鐵運營時對周邊人群的干擾,我們還要采取一定的減噪措施,這樣才能夠為群眾提供更好的服務。參考文獻[1]程建耀.最新橋梁設計實用手冊[M].長春:吉林電子出版社,2005.[2]邵旭東,程翔云.橋梁設計百問[M].北京:人民交通出版社,2003.[3]張樹仁.橋梁設計規范學習與應用講評[M].北京:人民交通出版社,2005.[3]范立礎,李建中,王君杰.高架橋梁抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2001.
2.2高架區間結構設計 高架區間一般以三跨一聯的標準跨度連續剛構為常見的結構形式。2.2.1結構計算模型 結構計算模型見下圖。2.2.2計算荷載 ①結構自重:混凝土容重按25kN/m3計。 ②列車荷載:按列車的最大軸重、軸距及近、遠期中最長的列車編組確定。 ③列車豎向動力系數:1+μ=1+0.8×12/(30+L) ④列車制動力和牽引力:按列車豎向靜活載的15%計算,計算中區間雙線計一線。 ⑤無縫線路的伸縮力、撓曲力、斷軌力計算中,軌道縱向阻力按10.0kN/m~12.0kN/m/軌計算。 ⑥離心力:靜活載乘以離心力率C,C=V2/127R ⑦列車橫向搖擺力:按列車相鄰兩節車四個軸重的15%計算。 ⑧風荷載:基本風壓按1200Pa計。 ⑨混凝土收縮、徐變:預應力加載時齡期按60d計算至1500d。 ⑩溫度影響:廣州地區合攏溫度一般按20℃考慮,最冷月平均溫度按13℃計,最熱月平均溫度按28℃計,橋面升溫按5℃計。 ⑾基礎變位影響:不均勻沉降按10mm考慮,更換支座按10mm考慮。 ⑿人群荷載:檢修、人行通道上按4kN/m2計。 ⒀地震力:廣州地區抗震設防烈度為7度。 ⒁橋上二期恒載:40kN/m每線(包括橋上防水層、軌枕板、線路設備、管線)。 ⒂施工荷載:根據工程實際進行計算(見荷載分類表)。2.2.3內力組合2.2.3.1主力 ①自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變 ②自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位 ③自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+無縫線路縱向水平力(伸縮力、撓曲力) ④自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(伸縮力、撓曲力) ⑤自重+二期恒載+預加應力+活載(單列)+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(伸縮力、撓曲力)2.2.3.2主+附 ①自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(一線伸縮力、撓曲力)+制動力(另一線)+溫度影響力+橫向搖擺力 ②自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(一線伸縮力、撓曲力)+制動力(另一線)+溫度影響力+風力 ③自重+二期恒載+預加應力+活載(單列)+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(一線伸縮力、撓曲力)+制動力(另一線)+溫度影響力+橫向搖擺力2.2.3.3主+特殊荷載 ①自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+無縫線路縱向水平力(三軌伸縮力、撓曲力)+斷軌力(一軌) ②自重+二期恒載+預加應力+活載+混凝土收縮及徐變+基礎變位+地震力 根據以上內力組合找出最不利的工況,計算出該工況下結構的軸力、彎矩、剪力及扭矩,從而根據計算公式可反算出結構的配筋。2.2.4主要設計標準 ①《地鐵設計規范》(GB50157-2003); ②《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1-99); ③《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2-99); ④《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3-99); ⑤《鐵路橋涵鋼筋混凝土和砌體結構設計規范》(TB10002.4-99); ⑥《鐵路工程抗震設計規范》(GBJ111-87); ⑦《鐵路橋涵施工規范》(TB10203-2002 J162-2002)。3橋梁的防噪減震措施3.1噪音的產生 地鐵列車經過高架橋時所產生的噪音主要有以下三部分組成(見圖1)。3.1.1車輪及軌道的噪音 是由車輪與車軌的摩擦及火車的推動系統所造成。3.1.2結構振動所發出的噪音 結構所散發的噪音是由列車行駛時橋梁結構的震動所產生的噪音。3.1.3空調噪音 空調噪音主要來自車廂上的空調及其發動機,并由空調本身的運作和設定規范控制,所以與高架橋結構的設計沒有直接關系。3.2防噪減震措施 高架橋上的防噪,可以采用以下措施(見圖2): ①選擇剛度大、自振頻率低的閉合截面箱型梁結構; ②結構設計中,適當的優化截面,盡量使腹板支承在鋼軌下部; ③敏感地段在橋上部兩側加設隔音屏障,內噴吸音材料; ④設浮置板道床,并在橡膠支承的底部加上軟墊。4結束語 綜上所述,高架的敷設方式已普遍地應用于我國的地鐵建設中,它不但為市民的出行提供了極大的便利,也成為一個城市的主要標志和景觀,如何保證橋梁的結構既安全又美觀,就要求我們設計人員在設計的過程中根據周邊環境選取合適的結構形式,并對受力進行嚴謹的計算分析;為了盡量降低地鐵運營時對周邊人群的干擾,我們還要采取一定的減噪措施,這樣才能夠為群眾提供更好的服務。參考文獻[1]程建耀.最新橋梁設計實用手冊[M].長春:吉林電子出版社,2005.[2]邵旭東,程翔云.橋梁設計百問[M].北京:人民交通出版社,2003.[3]張樹仁.橋梁設計規范學習與應用講評[M].北京:人民交通出版社,2005.[3]范立礎,李建中,王君杰.高架橋梁抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2001.
