高速铁路常用跨度简支箱梁支座设置方式研究

2016-04-13李金光侯建军

铁道勘察 2016年1期

关键词：简支双线组合体

李金光　侯建军

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

高速铁路常用跨度简支箱梁支座设置方式研究

李金光侯建军

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Study on Bearing Installation Method of High Speed Railway Commonly Used Simple-Supported Box Girder

LI JinguangHOU Jianjun

摘要以时速250 km客运专线(城际铁路)有砟轨道预制后张法预应力混凝土简支整孔箱梁及其配套的圆端形实体桥墩为基础，通过横向压缩0.4 m箱体及桥墩和拉伸0.6 m箱体及桥墩的方式形成支座横向间距为4.0 m和5.0 m的组合结构。以3种不同支座横向间距的梁体、支座、桥墩组合体为研究对象，分析梁体、支座、桥墩受力情况。研究表明，支座横向间距不大于5 m的简支箱梁可以设置双固定支座。设置双固定支座时，梁体、桥墩设计须考虑附加横向应力影响，支座选取须考虑附加水平力影响。

关键词高速铁路简支箱梁支座设置双固定支座

1概述

据不完全统计，我国正在使用的高速铁路中桥梁长度比重接近60%(其中京津城际铁路桥梁累计长度占全线正线总长的比例为86.6%，京沪高速铁路为80.5%)[5]。高速铁路桥梁中大量采用整孔简支箱梁结构，常用跨度整孔简支箱梁支座需求巨大。作为桥梁工程上下部结构的连接、传力部件，桥梁支座直接影响桥梁结构的整体性能。双线整孔简支箱梁通常采用固定支座、纵向活动支座、横向活动支座、多向活动支座各一个的支座布置方式，对于支座横向间距不大于4.0 m的双线整孔简支箱梁也采用双固定支座、双纵向活动支座的方式设置。

高速铁路单座桥梁长达几公里甚至几十公里，线路平、竖曲线变化多，造成支座布置复杂。支座施工安装过程中经常会发生4种类型支座安装混淆的情况，造成不必要的工作反复和浪费。为扩大双线整孔简支箱梁双固定支座、双纵向活动支座设置的应用范围，简化双线整孔简支箱梁支座种类和方便施工安装作业，结合高速铁路常用跨度简支整孔箱梁及其配套桥墩和以此为基础形成的组合体受力情况进行分析，研究双固定支座设置方式的适应范围。

2研究对象及方法

2.1研究对象

时速250 km客运专线(城际铁路)有砟轨道预制后张法预应力混凝土简支整孔箱梁(图号：通桥(2009)2229—Ⅰ)为双线、单箱单室整孔箱梁，计算跨度为31.5 m，支座横向间距为4.4 m，与其配套的桥墩为圆端形实体桥墩(图号：通桥(2009)4201—Ⅲ)。以此为基础，通过压缩0.4 m箱体及桥墩和拉伸0.6 m箱体及桥墩的方式形成支座横向间距为4.0 m和5.0 m的结构。对支座横向间距为4.0 m、4.4 m、5.0 m的组合体结构进行对比分析，从三者自身的受力情况判断双固定支座设置是否可行，三者分别定义为组合体一、组合体二、组合体三。

2.2研究方法

采用有限元程序Midas FEA建立三种支座间距组合体的空间模型，模型包括一片箱梁及两个桥墩。梁端底板预埋支座钢板处设0.35 m×0.72 m×0.15 m(横向×纵向×高度)钢垫板模拟支座板，墩顶设垫石。梁体、支座板、垫石及桥墩均采用实体单元建立，在支点中心位置处通过连接支座板与垫石节点建立1D弹性连接单元模拟支座。4.4 m横向支座间距组合体模型如图1所示，模型共计71 348个节点，293 664个单元。

图1　4.4 m横向支座间距组合体模型

高速铁路简支箱梁常用支座有盆式橡胶支座、球形钢支座等，每种支座类型对应大量型号，支座各方向刚度具体数值尚不明确，而刚度的取值直接关系到梁体、支座、桥墩三者之间的相互受力。采用1D弹性连接单元模拟支座效应，可赋予其6个方向的刚度，包括顺桥向、横桥向、结构高度方向的平动自由度以及绕此3个方向的转动自由度。为对比不同支座刚度取值对组合体受力的影响，结合以往经验对约束平动、转动刚度取1.0×1010kN/m、1.0×1010kN.m/[rad]；1.0×109kN/m、1.0×109kN.m/[rad]；1.0×108kN/m、1.0×108kN.m/[rad]；1.0×107kN/m、1.0×107kN.m/[rad]四种不同量级的刚度分别计算。

3主要技术参数

3.1材料参数

有限元模型中使用的材料参数如表1所示。

表1　模型材料参数

3.2二期恒载取值

桥面二期恒载按直线有声屏障考虑，轨下枕底道砟厚度为350 mm，包括钢轨、道砟、轨枕、防水层、保护层、声屏障、遮板、挡砟墙、接触网支柱及基础、电缆槽盖板及竖墙等附属设施重量，4.4 m支座横向间距双线整孔简支箱梁二恒共计192 kN/m。模型中二期恒载按实际桥面布置转换为均布面荷载的方式施加。

3.3活载取值

单线活载按均布荷载施加在横向3.37 m范围内，考虑冲击系数。车头段均布荷载纵向长度5.6 m，取值51.2 kN/m2，车身段均布荷载任意长，取值20.8 kN/m2。模型中考虑单、双线活载作用效应。

3.4温度荷载取值

组合体模型中考虑梁、墩(包括垫石)温差荷载作用。温差荷载包括：梁升温10 ℃，墩升温5 ℃；梁升温30 ℃，墩升温25 ℃。这里只计算了升温模式，梁、墩降温温差效应与升温温差效应相反。

4计算结果分析

4.1支座受力分析

设双固定、双纵向活动支座，固定、纵向、横向、多向活动支座各设一个对支座受力的影响主要体现在前者在荷载作用下会产生横向水平力。水平力的大小是否超过支座设计水平力对该设置方式是否可行有重要影响，以此水平力大小是否超过允许范围为判定因素对双固定支座设置是否可行进行研究。

各组合体在梁、墩整体温差荷载作用下产生的支座横向水平力如表2所示。

表2　梁、墩整体温差荷载作用下支座横向水平力　kN

各组合体在自重、二恒及活载作用下产生的支座水平力如表3所示。

汇总组合体在运营期间支座所承受的水平力，组合体运营过程中支座水平力包括二恒、活载及温度荷载产生的水平力，不考虑自重产生的水平力。支座水平力与竖向设计承载力比值结果如表4所示。

表3　梁、墩二恒及活载作用下支座横向水平力及相应竖向力　kN

表4　支座水平力与竖向设计承载力比值

从表4可以看出，支座水平力与竖向设计承载力的比值最大为23.3%，球形钢支座最大设计水平力可以占到其竖向设计承载力的40%，说明从支座受力角度来考虑，支座横向间距为5.0 m的双线整孔简支箱梁可以设置双固定、双纵向活动支座。需要说明的是，相同竖向承载能力的支座设计容许最大水平力按地震峰值加速度不同来分类，支座横向间距大于4.0 m的双线整孔简支箱梁选用支座时不能仅靠其所承受竖向力和设计峰值加速度来决定，需要同时考虑上述所计算的水平力。

4.2梁体受力分析

从支座受力分析可以看出，各组合体支座刚度取9次方和10次方量级时产生的水平力基本相同，说明此时支座约束近乎刚性。对梁体的分析采用支座刚度为10次方量级的模型。设双固定、双纵向支座主要限制了梁体横向的自由变形，会使梁体产生附加的横向应力，对梁体的受力分析也主要从荷载作用下产生的梁端横向应力入手。分别提取设双固定、双纵向活动支座，设固定、纵向、横向、多向活动支座各一个的组合体模型中梁端横向应力，对比分析其变化规律。单线活载作用下组合体一和组合体三的梁端横向应力如图2所示，各组合体梁端典型横向应力如表5所示。

图2　单线活载作用下梁端横向应力

MPa

结合梁端横向应力云图，从表5中可以看出：

(1)在相同荷载作用下，各组合体双固定约束和设横向活动约束相比，在相同位置上二恒产生的横向拉应力差别不大，单线活载产生的横向拉应力有所增大，并随支座间距的增加而增大。

(2)对于温度荷载而言，设双固定约束和横向活动约束相比，梁体降温大于桥墩降温时，会在整个梁端底板产生一定的横向拉应力。

(3)由温度荷载产生的横向拉应力，各组合体相比差别不大。

(4)设置双固定支座约束对梁体应力的影响属于可接受范围，就梁体受力而言，支座横向间距为5.0 m的梁可以设置双固定、双纵向活动支座，设计时须考虑梁端附加横向应力影响。

4.3桥墩受力分析

图3　梁升温10 ℃，墩升温5 ℃荷载下桥墩横向应力

图4　自重、二恒、双线活载共同作用下桥墩横向应力

与梁体受力分析相同，对桥墩的分析也采用支座刚度为10次方量级的模型。主要从荷载作用下产生的桥墩横向应力入手，分别提取设双固定、双纵向活动支座，设固定、纵向活动、横向活动、多向活动支座各一个的组合体模型中桥墩横向应力，对比分析其变化情况。梁升温10 ℃，墩升温5 ℃荷载下桥墩横向应力以及自重、二恒、双线活载共同作用下桥墩横向应力分别如图3、图4所示。从图4中可以看出：

(1)在梁体升温大于桥墩升温的温度荷载作用下，设双固定支座的组合体桥墩会产生一定的拉应力，而设横向活动支座后则不会产生，在相同模式温度荷载作用下，各组合体桥墩横向应力差别不大。

(2)在自重、二恒、双线活载共同作用下，设双固定约束组合体桥墩横向受力优于设横向活动约束的组合体。

(3)设置双固定支座约束对桥墩应力的影响属于可接受范围，就桥墩受力而言，支座横向间距为5.0 m的梁可以设置双固定、双纵向活动支座。

5优缺点分析

对于双线整孔简支箱梁，设置双固定、双纵向活动支座与设置固定、横向、纵向和多向活动支座各一个的方式相比具有以下优缺点：

(1)双固定方式可以简化支座设计，减少支座类型，但双固定方式支座造价有一定程度的增加，盆式橡胶支座增加约1.3%的重量，球形钢支座增加约6.9%的重量。

(2)双固定方式在更换支座时如果温差变化过大可能会造成支座安装困难。

(3)双固定方式可方便施工，减少现场支座安装错误的发生。

(4)双固定方式4个支座均参与抵抗地震力，提高了结构的抗震性能。

(5)对于无砟轨道结构来说，双固定方式对于两孔梁间轨道横向偏移量的控制更加有利。

(6)双固定方式四个支座均参与分担曲线梁列车竖向静活载产生的离心力作用，可减小离心力作用下支座分担的水平力。

6结论