某地铁线高架桥钢门架设计

吕耀秀 张四国 张一卓

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

1 概况

某地铁线需要以高架桥梁的形式上跨地面公路(平面图见图1)，规划的地面公路宽60 m，断面布置为:5 m人行道+22.5 m行车道+5 m中央分隔带+22.5 m行车道+5 m人行道，由于地面公路行车道不允许布置桥墩，故需要采用大于25 m横向跨度能力的结构作为高架桥梁的支撑体系，根据跨度能力及结构所处的特殊工程部位，综合比较后选用钢结构门架形式作为该处高架桥的支撑体系(见图2)。此段需设置3个钢门架。3个钢门架所承受的上部荷载的作用力大小和位置不尽相同，因此对3个钢门架分别进行了设计。

图1 平面图

图2 门架立面图

2 荷载标准

钢门架所处位置的上部结构为简支箱梁，经上部高架桥梁的计算，上部结构恒载及活载通过支座传到钢门架结构上，荷载大小详见表1。

表1 钢门架计算竖向荷载 kN

表1中列车竖向活载包括了列车竖向动力作用，列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数，且考虑双线系数［1，2］。

温度作用:升温40℃，降温40℃。梯度温度0℃ ～15℃。

钢门架柱脚沉降:一侧柱脚下沉6 mm。

离心力:263 kN。

风力:风压 0.6 kPa。

3 采用规范及控制因素

钢门架设计采用TB 10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范和TB 10002.2-2005铁路桥梁钢结构设计规范，门架横梁上部活载挠度控制在10 mm内，体系温度作用下结构内力尤其是柱脚内力不能太大，增加对基础附加作用力。

4 尺寸拟定

3个钢门架所处的地形高程不同，立柱高不相同，3个钢门架的外形尺寸见表2。

表2 三个门架外形尺寸 m

根据钢门架横梁长度、立柱高度以及所承受的荷载大小及荷载作用位置的不同，3个钢门架中钢门架二受力最不利，对钢门架二的断面尺寸及板厚做如表3所示数据的初步拟定。钢门架横梁和立柱的断面形式均采用单箱双室。

表3 门架断面外形尺寸及板厚

表4 各种断面尺寸顶底板厚40 mm，腹板厚30 mm时最大主拉应力、最大主压应力 MPa

5 计算优化和分析

对表3所列的各种截面尺寸的门架进行杆系单元建模计算分析。各种断面形式的钢门架在控制截面处横梁挠度最大值、最大主拉、最大主压应力值如表4所示。

根据各种断面尺寸时钢门架的计算结果进行比较，可以看出，不同尺寸对结构应力及挠度影响较大，尤其是钢门架横梁处应力和挠度。兼顾应力大小和挠度要求，最后钢门架二选择用横梁宽2.8 m，高2.5 m的截面尺寸。

但是按照柱脚反力值对基础进行设计计算发现，由于刚度过大造成内力增加，从而使柱脚处反力过大对基础不利，因此通过进一步计算优化，经试算最终决定采取深埋措施使3个门架立柱均增高到11 m，同时将门架立柱截面的横桥向方向宽度从原来的1.5 m减小到1.0 m，减小了柱脚处的内力值，进而使下部基础设计顺利通过。

6 门架细部构造设计

6.1 断面构造

将门架横梁做成单箱双室(见图3)。顶底板均为厚40 mm，每道腹板厚30 mm。立柱断面选用宽2.8 m，高1.0 m，也与横梁对应做成单箱双室(见图4)，顶底板厚为30 mm，每道腹板厚30 mm。

图3 门架横梁断面图

图4 门架立柱断面图

6.2 加劲

为了防止由于局部应力过大使得钢门架各个板件发生局部屈曲［3］，在横梁和立柱的顶底板和腹板上沿着箱室周边布置间距不小于50 cm的球扁钢加劲肋;横梁设置标准间距为1.5 m的横隔板，立柱设置标准间距为1 m的横隔板，标准横隔板不是全断面钢板式，是断面周边板条式。在荷载作用区间加密横隔板，加密的横隔板为全截面板式，中间挖人孔，加密后隔板间距为0.7 m，在荷载直接作用的位置有无人洞的横隔板，并且在此处横隔板上继续加劲形成荷载作用点处十字形加劲。

6.3 横梁和立柱交点

横梁和立柱的交点处腹板为L形整块钢板过渡(见图5)，内部构造为跟其他位置相同的球扁钢加劲，在拐角内侧设置梗腋，提高截面的抗弯刚度，减少畸变应力，使力线过渡比较均匀，减小次内力。

6.4 柱脚与承台的连接

图5 门架横梁立柱交点立面图

图6 柱脚立面图

柱脚与承台的连接采用法兰盘式的高强螺栓连接(见图6，图7)，在柱脚底承台顶垫钢板作为承压板，承压板与柱脚四周焊接，并设加劲板。承台里预埋用于栓接的锚栓，锚栓端头设端板。柱脚里灌注2.5 m高混凝土，通过在柱壁内侧设剪力钉和承台里预埋的钢筋形成整体。

图7 柱脚平面图

7 结语

根据结构所处的位置特殊性以及跨度要求，选择钢门架结构作为此节点处高架桥梁的支撑，在对钢门架的设计过程中，归纳以下几点:

1)钢门架横梁与立柱拐点受力复杂，是结构的薄弱点，因此将此节点处腹板做成L形的整块钢板过渡，使门架结构分节段拼装，焊缝避开受力复杂点而分别处于横梁和立柱的零弯矩点附近。2)柱脚与承台的连接采用法兰盘式的高强螺栓连接，承压板用于传递压力，高强螺栓组用于传递出现的拉力。这种连接形式传力直接，而且有比较多的工程实际施工经验。但是这种连接形式要求承压板与承台混凝土结构有足够的面面接触率，对施工应强调混凝土表面处理，否则质量不易保证，因此对施工质量要提出要求。3)设计过程中不仅要考虑钢门架结构自身的强度、刚度要求，也要依据刚度、内力结合下部基础的承载能力，同时应充分考虑到高架桥梁上部所需支撑设置范围及挠度要求来确定钢门架外形尺寸。

［1］TB 10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范［S］.

［2］TB 10002.2-2005，铁路桥梁钢结构设计规范［S］.

［3］张家旭，张庆芳.钢结构［M］.北京：中国铁道出版社，2003.