客運(yùn)專線連續(xù)梁－框架墩體系幾個(gè)問題的探討

宋順忱，吳大宏

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

客運(yùn)專線鐵路曲線半徑大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，與既有鐵路、道路、管線等小角度交叉常常不可避免，用小跨度梁和框架墩結(jié)構(gòu)代替常規(guī)大跨橋梁結(jié)構(gòu)跨越，能有效降低結(jié)構(gòu)高度，節(jié)省工期和造價(jià)，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。目前，框架墩-簡(jiǎn)支梁在速度不超過160 km/h的鐵路上應(yīng)用較多，但在鋪設(shè)無砟軌道的客運(yùn)專線橋梁上的應(yīng)用尚缺乏研究。

某客運(yùn)專線上跨京山線斜交角度12°11'，擬采用7-16 m連續(xù)梁-框架墩方案跨越，平面布置見圖1。地震烈度為8度。

圖1 平面布置(單位:cm)

2 結(jié)構(gòu)體系剛度的影響因素

連續(xù)梁-框架墩結(jié)構(gòu)為空間結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)剛度取決于梁、框架墩橫梁、框架墩立柱、基礎(chǔ)等各部位的集成剛度。

對(duì)不同框架墩立柱剛度、橫梁剛度、主梁剛度下的體系整體剛度進(jìn)行分析，研究各部位剛度對(duì)連續(xù)梁－框架墩結(jié)構(gòu)體系的整體剛度的影響。主要計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 靜活載作用下主梁跨中豎向變形及梁端轉(zhuǎn)角

由表1可以看出，主梁剛度對(duì)結(jié)構(gòu)體系的豎向剛度、扭轉(zhuǎn)影響最大，是控制總體變形的主要因素;框架墩橫梁的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度影響也較大，立柱剛度對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響相對(duì)較小。

3 結(jié)構(gòu)體系空間分析

建立連續(xù)梁-框架墩體系的整體空間模型，對(duì)各種工況下的結(jié)構(gòu)變形、變位等進(jìn)行分析。分析過程中充分考慮恒活載效應(yīng)、CRTSⅡ型軌道板縱向力、不均勻溫度場(chǎng)、不均勻沉降等因素的影響。

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

各種荷載工況下連續(xù)梁-框架墩體系的主要變形見表2。

表2 各種工況下體系變形

由表2可以看出，靜活載作用下結(jié)構(gòu)的變形較小，而連續(xù)梁－框架墩體系對(duì)不均勻溫度變化比較敏感，溫度是控制結(jié)構(gòu)變形的主要因素。結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的變形均可滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)要求。

3.2 基礎(chǔ)沉降對(duì)體系變形的影響分析

由于連續(xù)梁-框架墩體系為空間受力結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)的不均勻沉降不僅產(chǎn)生豎向折角，而且兩墩柱之間的不均勻沉降將產(chǎn)生橫向折角和扭轉(zhuǎn)變形。對(duì)體系在恒載作用下的工后沉降及不同的不均勻沉降值對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響進(jìn)行的空間計(jì)算分析，結(jié)果表明:不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響很大，3 mm的不均勻沉降要比靜活載產(chǎn)生的梁體豎向變形大得多，5 mm的不均勻沉降產(chǎn)生的梁體橫向變形和全部橫向力的效應(yīng)相當(dāng)。

因此，對(duì)于連續(xù)梁-框架墩結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)的不均勻沉降是控制軌面變形的重要因素，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，充分考慮兩墩柱的恒載差異，嚴(yán)格控制基礎(chǔ)不均勻沉降值。

4 結(jié)構(gòu)體系軌道板、梁、墩共同作用分析

連續(xù)梁-框架墩結(jié)構(gòu)是一個(gè)空間受力體系，框架墩橫梁上的支座相當(dāng)于連續(xù)梁的一個(gè)彈性支撐點(diǎn)，且各個(gè)支撐點(diǎn)在橫梁上的位置不同，使各支撐點(diǎn)的豎向剛度不同，因此需對(duì)連續(xù)梁-框架墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼軌、軌道板、梁、墩共同作用進(jìn)行分析，研究不同的基礎(chǔ)豎向剛度、基礎(chǔ)不均勻沉降、橋墩扭轉(zhuǎn)變形、制動(dòng)力、溫度力等條件下軌道系統(tǒng)的受力與變形。

CRTSⅡ型板式無砟軌道為縱連體系，底座板和橋面間通過滑動(dòng)層隔離，縱向只在橋梁固定支座上方設(shè)置剪力齒槽與梁體進(jìn)行連接，使作用在底座板內(nèi)的縱向力可以通過固定支座直接傳入橋墩。鋼軌、軌道板、梁、墩共同作用模型見圖2。

圖2 軌道-橋梁分析模型示意

分析結(jié)果表明:支點(diǎn)位置不同引起的框架墩豎向剛度變化對(duì)軌道系統(tǒng)的平順性影響很小，通過合理控制連續(xù)梁－框架墩體系結(jié)構(gòu)剛度，結(jié)構(gòu)體系滿足無砟軌道的鋪設(shè)要求。

5 地震力作用下縱向力傳遞體系

連續(xù)梁-框架墩作為空間受力結(jié)構(gòu)，如何通過合理的固定支座設(shè)置獲得安全可靠的抗震性能，需對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行地震時(shí)程分析確定。單固定墩體系(1個(gè)框架墩作為固定墩)和多固定墩體系(3個(gè)框架墩作為固定墩)時(shí)程分析主要結(jié)果見表3。

表3 時(shí)程反應(yīng)分析結(jié)果

由表3可以看出:2種體系的橫向地震力和位移差別不大;但單固定墩體系的固定墩縱向地震力和位移比多固定墩體系一個(gè)固定墩大很多。采用多固定墩體系可利用框架墩的柔度，將縱向地震力分配在多個(gè)框架墩上，不僅提高了全橋的抗震性能，還可實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)、美觀、經(jīng)濟(jì)的墩身設(shè)計(jì)。

6 結(jié)構(gòu)體系初始變形對(duì)車橋動(dòng)力響應(yīng)的影響

在溫度作用、基礎(chǔ)不均勻沉降、收縮徐變等作用下，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始變形，這必然會(huì)影響橋上線路的平順性，這對(duì)于一般橋梁行車動(dòng)力響應(yīng)分析影響較小，但對(duì)連續(xù)梁－框架墩空間結(jié)構(gòu)體系來說則不能忽視。橋面相對(duì)豎向位移曲線見圖3。

圖3 各組合橋面相對(duì)變形曲線示意

考慮上述初始變形對(duì)軌道平順性的影響，將其以組合曲線的形式疊加到軌道不平順譜中，對(duì)7-16 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁－框架墩結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力分析，分析結(jié)果表明，列車運(yùn)行安全性和旅客乘坐舒適性各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

通過對(duì)連續(xù)梁-框架墩結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)剛度、變形、抗震、軌道-橋梁共同作用、車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)等進(jìn)行的系統(tǒng)分析研究表明，連續(xù)梁-框架墩結(jié)構(gòu)體系可用于350 km/h無砟軌道客運(yùn)專線橋梁工程，為解決客運(yùn)專線與公路、鐵路、管線等小角度交叉跨越提供了較好的橋梁結(jié)構(gòu)方案。

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