鋼-混凝土組合結構在城市軌道交通中的應用

譚滿江，劉朝暉

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 前 言

與鋼橋相比，鋼-混凝土組合結構梁橋具有節(jié)省鋼材、建筑高度低、噪聲小、耐疲勞等優(yōu)點;與混凝土橋相比，鋼-混凝土組合結構梁橋具有重量輕、剛度大、制造簡單、施工速度快等優(yōu)點。鋼-混凝土組合結構是由鋼材和混凝土兩種性質不同的材料緊密組合的一個整體，如何使兩種材料緊密相連并減少對結構的不利效應，對保證結構的施工質量和安全性都很重要。

與公路規(guī)范相比，軌道橋梁規(guī)范荷載多、剛度要求高。本文以長沙市軌道交通1號線北延一期工程中鋼-混組合連續(xù)梁結構為例，對鋼-混組合結構在城市軌道交通中的應用作了簡要的介紹。

長沙市軌道交通1號線北延一期工程位于金霞組團段，線路起于彩霞路站，止于開福區(qū)政府站(1號線一期起點站)，線路長約10.67 km，高架段長約4.52 km(見圖1)。

其中跨新安路(37+65+40) m連續(xù)梁和跨港城路(40+65+40) m連續(xù)梁均采用鋼混組合連續(xù)梁結構(見表1)。

圖1 1號線北延一期工程布置示意

表1 節(jié)點橋梁一覽

1 跨規(guī)劃新安路、規(guī)劃港城路橋梁設計

設計采用(37+65+40) m鋼混組合連續(xù)梁、(40+65+40) m鋼混組合連續(xù)梁、分別跨越規(guī)劃新安路和規(guī)劃港城路(見圖2)。

經(jīng)有限元軟件建模優(yōu)化計算后，結構各項驗算指標均滿足規(guī)范要求，其中主要計算結果如表2所示。

圖2 (40+60+40) m鋼混組合連續(xù)梁示意

表2 (40+65+40) m鋼混組合連續(xù)梁計算結果

(37+65+40) m、(40+65+40) m鋼-混凝土組合梁橋梁全寬10.2 m。主橋根部梁高4.2 m，高跨比4.2/65=1/15.5；跨中梁高2.2m，高跨比2.2/65=1/29.5。梁高采用二次拋物線形式變化。

橋梁橫橋向為單室鋼-混凝土組合箱梁結構，縱向以支座為中心36 m范圍內(nèi)，鋼箱梁采用閉口截面形式，其余部分采用開口截面形式，兩側懸挑2.3 m。開口截面鋼箱梁每個腹板對應的上翼緣寬600 mm，鋼箱梁內(nèi)每隔6 m設置一道橫隔板。跨中斷面及中支點斷面示意分別見圖3～4。

圖3 跨中斷面示意(單位：mm)

圖4 中支點斷面示意(單位：mm)

鋼箱梁與橋面混凝土板通過連接件連接在一起共同工作。在正彎矩區(qū)采用栓釘保證鋼和混凝土的組合作用；在負彎矩區(qū)采用新型抗拔不抗剪連接件，有效解決負彎矩區(qū)開裂問題。

正彎矩區(qū)鋼箱梁與橋面混凝土板通過剪力連接件連接在一起共同工作，剪力連接件采用Φ22圓柱頭栓釘，栓釘熔后長度180 mm。

負彎矩區(qū)采用新型抗拔不抗剪連接件，抗拔不抗剪連接件構成部分：螺桿M22×3，長度L為180 mm，螺帽D為70 mm，t為20 mm，外套EVA泡棉套管t=15 mm，EVA泡棉發(fā)泡率為19。施工中，首先焊接螺桿至鋼梁上翼緣，之后在螺桿外套上EVA泡棉套管，最后擰上螺母并在螺母外套上EVA泡棉套管，在澆筑混凝土前，需要在負彎矩區(qū)段將鋼梁上翼緣頂面、螺帽底面刷上脫模劑(見圖5)。

為提高梁端鋼箱梁鋼板的局部穩(wěn)定性同時避免邊支座支反力過小，在邊跨靠近支座及中跨靠近支座澆筑C50混凝土。同時注意負彎矩鋼梁底部灌混凝土區(qū)段底板縱向加勁肋之間均布置Φ22 栓釘，熔后長度180 mm。

鋼-混組合梁鋼結構部分由工廠加工，現(xiàn)場搭設臨時支撐拼接，混凝土板采用現(xiàn)澆方式施工。

圖5 主要施工步驟示意

2 鋼-混組合結構與預應力混凝土結構比較

(40+65+40) m連續(xù)梁采用預應力鋼筋混凝土結構和鋼-混組合方案主梁的經(jīng)濟技術指標如表3所示。

由表3可知，對于跨徑在65 m的城市軌道連續(xù)梁結構，采用鋼-混組合梁方案比預應力混凝土方案增加的上構建造成本約48%。鋼-混組合梁上構自重相比減輕44%，對于汽車作為活載的橋梁以及覆蓋層較厚的地基上采上摩擦樁基礎的橋梁來說，優(yōu)化下構節(jié)省的建造成本可能多于上構增加的建造成本。

對于承受鐵路荷載的橋梁來說，下構的結構尺寸受下構整體剛度的制約，可以優(yōu)化的空間較小。

表3 主要經(jīng)濟技術指標對比

雖然鋼-混組合梁在經(jīng)濟性上沒有優(yōu)勢，但與混凝土梁相比，鋼-混凝土組合梁具有以下優(yōu)點：

(1)結構自重輕，對抗震有利。

(2)已安裝鋼梁可作為模板使用，節(jié)省了模板工程量。

(3)施工工期短，且對橋下交通的影響小。

(4)鋼梁為工廠標準化生產(chǎn)，質量可控。

(5)上部結構不設預應力，施工簡單，同時避免了預應力管道的通病。

綜上所述，鋼-混凝土組合結構在城市軌道橋梁中可以發(fā)揮出較大優(yōu)勢。

3 負彎矩橋面板開裂問題——抗拔不抗剪栓釘

栓釘連接件的抗剪作用是導致組合結構墩頂負彎矩區(qū)混凝土板產(chǎn)生拉應力的根本原因，其抗拔作用對防止混凝土板的分離和掀起，進而保障結構整體性和界面耐久性具有重要意義。

因此，保留傳統(tǒng)連接件的抗拔作用并取消其抗剪作用，使鋼與混凝土界面在不發(fā)生分離的前提下產(chǎn)生自由滑動應當是釋放混凝土板拉應力、降低混凝土板開裂風險的有效途徑，這種新型連接技術就定義為“抗拔不抗剪連接”技術(由聶建國院士發(fā)明)?？拱尾豢辜羲ㄡ斒芰κ疽庖妶D6，抗拔不抗剪栓釘構造示意見圖7。

圖6 抗拔不抗剪栓釘受力示意

圖7 抗拔不抗剪栓釘構造示意

4 城市軌道交通規(guī)范特點

城市軌道交通橋梁規(guī)范與公路規(guī)范相比主要以下特點:

(1)采用允許應力法，區(qū)分主力組合和“主+附”組合。

(2)因橋面上列車和鐵軌的作用，荷載種類比公路規(guī)范較多，具體說來，有列車橫向搖擺力、無縫線路縱向水平力、無縫線路斷軌力等。

(3)對剛度的要求較高，對工后徐變量有嚴格的限制。

4.1 荷載類型(見表4)

表4 荷載類型

4.2 剛度要求

(1)列車靜活載作用下豎向撓度容許值(見表5)。

(2)橫向自振頻率。應不小于90/L，L為橋梁跨度，m。

表5 梁式橋跨結構豎向撓度容許值

(3)橋墩墩頂縱向水平線剛度。梁跨大于40 m的簡支結構，其橋墩縱向水平線剛度可按跨度與30 m比增大的比例增大(見表6)。不設鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的連續(xù)梁，當聯(lián)長小于列車編組長度時，可以聯(lián)長為跨度，按跨度與30 m比增大的比例增大剛度；當聯(lián)長大于列車長度時，可以列車長為跨度，按跨度長與30 m比增大的比例增大剛度。

連續(xù)剛構可采用結構的合成縱向剛度。

表6 橋墩墩頂縱向水平線剛度(雙線)

(4)墩頂?shù)膹椥运轿灰疲?/p>

式中，L為橋梁跨度，m，當L為不等跨時，采用相鄰跨中的較小跨度；當L<25 m時，L按25 m計；△為橋墩頂面處順橋或橫橋方向水平位移，mm，包括由于墩身和基礎的彈性變形及基底土彈性變形的影響。

(5)相臨墩臺沉降差要求。

(6)后期徐變上拱和下?lián)?。當跨度L≤50 m時，后期徐變上拱和下?lián)先菰S值不應大于10 mm；當跨度L>50 m時，上拱和下?lián)喜粦笥贚/5 000，且不應大于20 mm。

5 結 語

鋼-混組合橋梁發(fā)揮了鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)勢，同時符合國家大力發(fā)展裝配化建筑以及化解鋼材過剩產(chǎn)能的產(chǎn)業(yè)政策，又因其輕巧美觀、易于制造和裝配、對交通影響較小等優(yōu)點，在城市軌道交通橋梁中有較大的應用價值。