京津城际轨道交通跨京山铁路小三线结合梁设计.doc

京津城际轨道交通跨京山铁路小三线结合梁设计摘要:介绍京津城际轨道交通跨越京山铁路小三线的铁路钢混结合梁的设计过程,对其结构形式的选择、结构平面布置和断面形式等进行详细介绍,对用于京津城际轨道交通上无碴轨道梁的计算方法以及需要关注的问题,如自振频率相对变形等和解决方法也进行分析。关键词:京津城际铁路;钢混结合梁;设计1 工程概况 京津城际轨道交通在天津市区跨越京山铁路小三线,由于市区内既有建筑物较多,限制了轨道交通平面线形的选择,致使京津城际轨道交通与京山铁路小三线的立交条件很差,两条线的夹角仅为183,且两条线均位于平面曲线上,其平面关系详见图1。2 桥式方案的选择 由图1可知,两线间夹角很小,一般跨度的简支梁不能满足所跨越的小三线净宽要求,如果采用大跨度结构跨越,则可供选择的桥跨结构形式有预应力混凝土连续梁、预应力混凝土连续刚构桥、钢桁架桥等结构形式,相应的施工方法就要采用悬臂法或顶推拖拉等,但由于线路处于R=400m小曲线上,这些方案不仅难以实现,且为既有铁路运营增加了许多不安全的因素。 综上所述,结合该工点的具体情况,跨既有京山铁路小三线的桥梁最佳施工方案是预制架设,进而提出了框架墩与简支梁的桥式方案,即2个框架墩配3孔20m简支梁,详见图2。 由于框架墩跨度大,2个框架墩受梁部荷载的作用点差别大,采用自重轻且对受扭及支座不均匀变形承受能力好的桥跨结构是本工点的首选。因此,本桥跨越京山铁路小三线的桥跨结构采用了双箱单室的钢混结合梁。3 钢混结合梁的结构形式31 结构的平面布置(图3) 本桥的钢混结合梁位于缓和曲线及R=400m的圆曲线上,但为了便于制作和架设,钢梁则采用了直线梁。同时,尽量减小曲线内外侧梁缝差值便于两端伸缩缝安装的原则,采用了桥面板两端线平行于墩中心线的布置方式,即内外钢箱梁腹板长度不相等。32 钢混结合梁横断面形式 为了减轻钢梁架设安装的重量,便于施工人员的安装作业,钢梁选用了双箱单室截面,且将钢梁部分做成U形断面的等高度梁。钢梁高2.0m,桥面板厚0.3m,结构总高2.3m。全桥每隔4m左右设置横梁、横隔板,将两箱梁连成空间结构增强桥梁的整体刚度。两箱中心距4.80m,箱梁采用U形断面,每道上翼缘板宽0.6m,下翼缘板宽3.0m,支点附近为满足布置支座的构造要求,增加到3.3m。箱梁腹板中心距2.6m,主梁腹板厚16mm。钢梁上翼缘板厚30mm,下翼缘板厚40mm。设计时为满足轨道交通对结构自振频率的要求,钢箱梁下翼缘设纵向加劲肋进行截面加强,所以下翼缘纵向加劲肋沿主梁纵向通长不能间断。33 钢混结合梁的其他构造形式 端横隔板、中间横隔板均设置过人孔。架设安装时施工人员可以进入梁内进行拼接,运营后检查维修人员也可以进入梁内检查和维修,而且可以通过与之相邻的混凝土梁体的进人洞,由端隔板的过人孔进入到钢混结合梁的梁体内。 顶梁位置设在主梁各支点的横隔板处尽量靠近腹板,综合考虑了防震落梁措施和顶梁的要求,防震落梁挡块与主梁用螺栓连接,顶梁时,卸下防震落梁挡块,在此位置安放顶梁千斤顶,详见图4。34 混凝土收缩控制措施 为了尽量减少混凝土收缩对结构的影响,桥面板分段浇筑,各段之间设50cm后浇带,钢筋不断开。横向浇筑时可先浇筑腹板顶部,然后对称浇筑。4 钢混结合梁的计算分析 钢混结合梁是一种组合结构,由钢筋混凝土桥面板与钢梁通过剪力连接器连接成一整体,共同承受荷载。由于是两种材料,其弹性模量不一样,且在不同的使用条件下,两种材料的表现也不相同,因此,如何合理反应结构的实际受力及变形,是钢混结合梁与单一材质的钢梁或混凝土梁的重要区别所在。 本桥桥面结构为无碴轨道,对变形要求极为严格,因此,除需要进行一般桥梁的计算外,还要进行线对变形分析。 设计中,根据铁路结合梁设计规程(TBJ2489)在进行不同阶段、不同工况的受力分析时,钢与混凝土的弹性模量比n值按表1所列之值采用。41 结构自振频率计算分析 城际轨道交通不同于以往的普通铁路及轻轨对结构的自振频率的要求,在结构的强度、刚度和各部应力满足要求时,结构的自振频率还会远远低于规范的限值,因此,首先要进行结构的自振频率分析。在结构自振频率分析时,选择合理的桥面板厚度及U形钢箱高度是本桥结构计算的重点工作,结构分析模型见图5。 计算分析选择了不同梁高与不同桥面板厚度的情况,进行了自振频率的计算和比较,表2列出了3种组合的计算结果。从表2可知,第二种和第三种均满足自振频率要求,第二种桥面板较厚,钢梁高度较低,总的结构高度小,但由于桥面板厚自重增加较多,在净高控制地段可选用第二种形式,即增加桥面板厚度减小结构总高度。在本工程中要尽量减轻结构重量,因此采用了第三种结构高度。42 相对变形分析 采用图5计算模型,取3.0m长、1.435m宽范围内最不利的荷载工况进行加载及各支座在框架墩上的挠度变形作为支座的强迫位移进行结构分析。43 纵向计算 建立平面杆系有限元模型,模拟各施工阶段和运营阶段工况,计算各施工阶段及运营阶段各截面的内力、应力、变位和结构的自振频率,在各阶段的计算中钢与混凝土的弹性模量比n采用表1中相应的n值。44 横向计算 取主梁的典型横截面进行横向环框计算。5 结语 桥跨结构的选择应与其所在工点的地形、地理、人文环境相适应。本桥则是在充分考虑跨越京山铁路小三线的位置处既有建筑物较多,限制了轨道交通平面线形等特点选择了钢混结合梁结构,既满足了功能需求,又能够与周边环境协调统一。 钢混结合梁不但具有较高的强度,而且其结构高度相对于混凝土结构较低,适应于线路高度受限制立交桥。再有钢混结合梁的钢梁部分可以工厂加工,现场吊装和拼接,不仅可以保证建设工期,而且不影响桥下交通。 高速客运专线铁路的结合梁设计,不仅要关注各截面的内力、应力、变位是否满足规程、规范的要求,更要注重结构自