加设封闭式防护罩的预应力混凝土槽形梁整体设计研究

2011-01-22范连合

铁道标准设计 2011年11期

范连合

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

目前环境保护已经成为一种重要的铁路桥梁设计理念。在铁路桥梁跨越那些对环境保护有严格要求的既有公路、铁路及河流和水渠时,需要采取相关的环境保护措施,避免铁路桥梁在跨越时对其造成不良影响。因此考虑在桥梁上设置类似防护罩类的结构既能起到隔音减噪的作用,又能有效的防止桥上掉落杂物影响桥下的道路(公路和铁路)及河流和水渠。

1 工程概况

新建邯黄铁路(邯郸至黄骅港)设计标准为120 km/h,为单线铁路,线路与河北省衡水地区水源地-卫千渠立体交叉。为避免卫千渠的水质在桥梁建成运营后不受到污染,跨越处采用防护式封闭罩对卫千渠的水质进行保护,同时为了能够有效的降低防护式封闭罩的建筑高度,减小结构的受风面积,跨越处采用(40+64+40)m槽形连续梁,这样既能起到环境保护的作用,又能减小结构在受力上的不利影响。槽形梁的桥面布置如图1所示。

图1 槽形梁桥面布置示意(单位：mm)

2 防护式封闭罩的设计及计算分析

由于在铁路桥梁上加设防护式封闭罩尚属首例,因此在钢骨架选材上选择横向刚度较大的工字型钢,阳光板选用厚度为8 mm的实心聚碳酸酯阳光板,其材料特性为质轻且具有较高强度。由于阳光板透光率高且可选颜色,施工完毕后的桥梁还能起到一定程度上的景观作用。

2.1 防护式封闭罩的设计

防护式封闭罩是在H形立柱(Q345qD)形成的钢骨架上铺设8 mm厚度的实心聚碳酸酯阳光板构成,H形立柱由宽度为384 mm、厚度为16 mm的腹板及宽度为200 mm、厚度为16 mm的上下翼缘板焊接而成,钢骨架沿纵桥向每2 m设置1道共73道,每2道钢骨架之间采用沿横桥向3道200 mm×16 mm的等边角钢形成的纵梁连接,以增加结构的整体稳定性。纵梁设置按照沿纵桥向隔段钢骨架设立的原则,避免纵梁因钢骨架与梁体间的不均匀竖向变形的不利影响。阳光板与钢骨架之间的连接采用M5螺栓栓接的方式连接,每片阳光板沿纵桥向的螺栓孔一侧设置成固定孔,一侧设置成可活动孔,避免阳光板参与钢骨架与梁体之间的受力,加大结构设计的安全度。阳光板与钢骨架之间的联结方式如图2、图3所示。

图2 阳光板与钢骨架连接立面布置(单位：mm)

图3 阳光板与钢骨架横截面连接布置(单位：mm)

2.2 防护式封闭罩有限元模型的建立

按图2、图3所示封闭式防护罩设计图建立的有限元模型如图4所示。钢骨架及纵梁采用梁单元模拟,阳光板采用板单元进行模拟。边界条件为钢骨架底端采用固结方式,同时施加由于梁体变形引起的相邻钢骨架的的相对竖向变形。

图4 封闭式防护罩有限元模型

2.3 作用于封闭式防护罩上的外力

(1)自重：按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)取值,钢材容重γ=78.5 kN/m3,阳光板容重γ=15 kN/m3。

(2)风荷载：按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)第7章办理。

(3)雪荷载：按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)第6章办理。

(4)列车气动力：水平气动力为q=0.27 kN/m2,垂直气动力为q=0.21 kN/m2。

(5)接触网及回流线施加的外荷载如表1所示,荷载作用方向如图5所示。

(6)温度荷载：体系升温按照整体升温60 ℃考虑；体系降温按照整体降温25 ℃考虑。

表1 接触网及回流线外荷载

图5 荷载作用方向示意

2.4 计算结果

(1)在外荷载最不利荷载组合作用下,钢骨架的最大应力为164.8 MPa；最大横向位移为3.1 mm,竖向位移为5.15 mm。均满足设计及使用要求。

(2)钢骨架作用于槽形梁单侧箱体上的最大反力如表2所示,反力作用方向与图3所示一致。

表2 作用于槽形梁单侧箱体上的最大反力

(3)由封闭式防护罩引起的桥上二期恒载增加值为35.3 kN/m。

3 槽形梁的设计及计算分析

槽形梁在加设封闭式防护罩之后,由于防护罩受列车通行及接触网高度的控制,防护罩具有较高的结构高度,受风压及雨雪影响较大,桥上二期恒载增加幅度较大。同时封闭罩加设以后槽形梁内侧腹板温度上升很快,引起较大的内侧腹板温差,对结构受力有很不利的影响。

3.1 槽形梁的主体结构设计

(40+64+40)m连续槽形梁结构形式为跨中梁高3.5 m,边支点处梁高4.3 m,中支点处梁高5.6 m,梁顶由支点向跨中按圆曲线变化,曲线半径为260.65 m。槽形梁横桥向尺寸拟定参照《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)第9.1.1条相关规定,总宽度为10.8 m,内侧净宽6.9 m。挡砟墙高度0.70 m,底宽0.25 m,顶宽0.2 m。纵梁腹板宽度0.3～0.4 m,按折线变化；顶板厚度0.47 m,道床板厚度为0.45 m,支点处设置横梁,高1.25 m,边支点处宽度1.1 m,中支点处宽度1.5 m。全桥在支点处隔墙设置1 m高进人孔,共计8处。全桥共分4个梁段,跨中A1号梁段长度34.0 m,中支点处A2梁段长度25.0 m,中跨A3合龙段长度2.5 m,边跨A4号梁段长度28.05 m。梁体重点部位横截面布置如图6所示。

图6 槽形梁中支点及跨中和梁端横截面布置(单位：cm)

3.2 槽形梁纵向受力分析

本文应用西南交通大学编制的BSAS程序及通用有限元软件MIDAS分别建立模型进行计算和校核工作,模型对各个施工阶段的梁体受力进行了模拟,如实的反映出实际施工时的各种状态。2种模型计算的结果吻合度很高。图7、图8分别为MIDAS和BSAS建立的有限元模型。

图7 MIDAS建立的槽形梁有限元模型

图8 BSAS建立的槽形梁1/2有限元模型

3.2.1 槽形连续梁的主要设计参数

(1)恒载

①结构构件自重：按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)取值,梁体混凝土容重γ=25 kN/m3。

②二期恒载包括桥上设施及封闭式防护屏等重量。二期恒载取值：按109.9 kN/m计算。

③混凝土收缩、徐变影响按规范进行计算。

④基础沉降按相邻墩台沉降差，按15 mm考虑。

(2)活载

①计算采用“中-活载”。

②列车活载动力系数为1.09。

③横向摇摆力根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)第4.3.8条规定办理。

④人行道及栏杆荷载根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)第4.5.1条规定办理。

⑤曲线列车竖向静活载产生的离心力根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)第4.3.6条规定办理。

(3)附加力

①风力：按《铁路桥涵设计基本规范》(TBl0002.1—2005)第4.4.1条计算。

②温度荷载：施工合龙温度按照5～15 ℃考虑,梁体按均匀升温20 ℃、降温20 ℃计算,非线性温度变化按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TBl0002.3—2005)计算。

(4)特殊荷载

①列车脱轨荷载：根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)第4.3.11条规定办理。

②地震力：按《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)规定计算。

(5)荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合,取最不利组合进行设计,并对特殊荷载进行检算。

3.2.2 计算结果

(1)结构变形

梁体在静活载作用下的竖向位移及梁端转角计算结果如表3所示。

表3 梁体结构变形

(2)梁体安全性指标计算结果

梁体在施工阶段及运营阶段下安全性指标如表4所示。

表4 梁体计算安全性指标

从表3、表4计算结果可以看出,槽形梁在加设防护式封闭罩之后,梁体的变形及各项安全性指标均满足设计及使用要求。

3.3 槽形梁横向受力分析

槽形梁由于受日照温差、寒潮等温度影响及梁上横向布置的荷载影响,除进行纵向计算之外,还需进行梁体的横向计算。本文在槽形梁中跨跨中截取2 m直段采用MIDAS进行横向分析计算,模型如图9所示。模型中建立了横向预应力钢束,建立了混凝土材料的依存特性,用于分析预应力钢束及混凝土的收缩徐变对梁体横向受力的影响。

图9 槽形梁横向分析有限元模型

3.3.1 槽形梁横向计算设计参数

槽形梁横向计算荷载主要考虑以下几种：

(1)梁自重及二期恒载、混凝土收缩和徐变、预应力；

(2)来自封闭式防护罩引起的外力；

(3)活载：采用中活载的标准活载；

(4)温度荷载：日照偏晒按照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)附录B计算得出,槽形梁两侧箱形顶板温差为15.3 ℃,腹板温差为13.3 ℃；寒潮情况下顶板、底板及腹板均为-10 ℃的温差。

图10 槽形连续梁横向分析外加荷载示意

3.3.2 槽形梁横向计算结果分析

截取的梁段在各种荷载作用下,内力计算结果如表5所示,根据表5计算结果对梁体的横向配筋进行计算,计算结果如表6所示。

表5 梁体横截面分析内力计算

表6 最不利荷载组合下梁体横向配筋计算结果

从表4、表5可以看出槽形梁在主力+附加力的作用下,钢筋的配筋完全满足设计要求。

4 槽形梁施工

槽形连续梁采用支架现浇法施工。槽形梁在基础及桥墩施工完成后,在其基础及两侧边跨和中跨的跨中设置临时墩,再在临时墩上搭设脚手架或者搭设贝雷梁。槽形梁在施工时先浇筑中间主墩上的两段混凝土及中跨跨中节段的混凝土,待混凝土强度达到设计强度的90%以上时张拉预应力钢束,然后跨中段混凝土合龙施工,最后浇筑边跨混凝土进行合龙并张拉预应力钢束。施工步骤示意如图11所示。