跨座式单轨刚构体系钢轨道梁的墩梁固结构造研究

徐艳玲 李盼到 王新山

跨座式单轨刚构体系钢轨道梁的墩梁固结构造研究

徐艳玲1李盼到1王新山2

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司北京100082;2.大连理工大学辽宁大连116024)

墩梁固结构造是刚构体系钢轨道梁桥的关键部位。通过比较焊接连接、嵌套式连接、预应力锚栓连接三种墩梁固结构造方案，创新性地提出传力机理可靠、疲劳性能优越、可实施性好的预应力锚栓连接方案，并在此基础上进行锚固构造的锚固能力及预应力锚栓受力验算，以及锚固构造稳定性计算，锚固构造的应力计算，以此指导此类桥梁的设计工作。

跨座式单轨交通;刚构体系钢轨道梁;墩梁固结;间隙;应力幅

跨座式单轨交通以其对线路平面小曲线、大纵坡的良好适应能力，占地少、噪声小、桥梁景观效果好的特点，在中、小运力轨道交通线路中的应用日益广泛［1-3］。目前，跨座式单轨交通桥梁结构有简支体系和连续刚构体系两种［4］，其中简支体系桥梁最早由日本方面提出，主要应用于小跨径的桥梁和采用双层复合结构体系(即梁上梁结构)的中、大跨径桥梁，由于双层复合结构桥梁存在工程造价高、工期长、景观效果差等弊端，在美国、韩国等地逐渐被接缝少、行车舒适性好、结构抗疲劳性能好，且后期养护工作量少的连续刚构体系桥梁所取代［5］，特别是钢轨道梁在大跨径桥梁工程中推广应用，改善了原混凝土结构工艺复杂、施工精度高、误差控制困难、工期长等问题，使得刚构体系钢轨道梁的应用越来越广泛。在刚构体系桥梁中，墩梁固结构造是上、下部结构之间传力的重要一环，也是桥梁整体设计的重中之重。

图1 钢轨道梁桥横断面

1 墩梁固结构造的作用

墩梁固结构造是刚构体系桥梁荷载由上部结构向下部结构传递的关键环节，刚构体系钢轨道梁的固结构造受到较大的轴向压力、双方向弯矩、扭矩及水平剪力的共同作用，受力复杂，疲劳问题突出，结构构造的合理性、传力的可靠性、自身受力的安全性及施工的便捷性是刚构体系钢轨道梁设计成败的关键。墩梁固结构造的作用主要有两个方面。

1.1 传递荷载的纽带

固结构造是将轨道梁自重及其受到的荷载安全、可靠地传递给下部结构的纽带，其结构构造的合理性、传力的可靠性及受力的安全性，直接决定了桥梁的整体安全性。

1.2 调高、调坡的手段

由于跨座式单轨交通制式对轨道梁外形要求严格，受线路平面、纵断面曲线及超高的影响，桥梁上、下部结构外形均不相同。为方便施工，墩台顶面一般采用平面，轨道梁也采用标准形状，作为上下部结构之间的连接构造——墩梁固结构造在满足结构传力需求的同时，可根据线路实际情况进行尺寸调整，实现调高、调坡的功能。

墩梁固结构造体量小，加工方便，可在工厂与主梁一同按设计线形预制加工，待墩柱施工完毕后，运至现场安装就位以降低施工风险，降低施工难度。

2 墩梁固结构造比选

根据固结构造受到较大的轴向压力、双方向弯矩、扭矩及水平剪力的共同作用、疲劳问题突出的受力特点，以及调高、调坡的功能要求，充分考虑其施工的便捷性及耐久性，借鉴现有的技术资料和条件，提出3种墩梁固结构造方案进行比选。

2.1 焊接连接方式

固结构造由轨道梁下支承钢板及其加劲构造、墩顶预埋钢板及其锚固构造构成。支承钢板及其加劲构造在工厂与轨道梁被焊接成为整体，墩顶预埋钢板及其PBL锚固系统预埋入桥墩盖梁［6］。施工时将轨道梁运至现场，精确就位后，将支承钢板及其加劲构造与墩顶预埋钢板牢固焊接即可，如图2所示。

图2 焊接连接方式

此方案构造简单，施工方便，但上、下部结构间完全依靠支承钢板及其加劲构造与墩顶预埋钢板间的T形焊缝传递荷载，由于固结构造所受应力幅较大，疲劳特点突出，对焊缝受力极为不利，再加上狭小的操作空间对焊缝质量的影响，导致其受力安全性不高。

2.2 嵌套式连接

固结构造由轨道梁下支承钢板、嵌固钢板及其加劲构造、锚固精轧螺纹钢筋构成。支承钢板、嵌固钢板及其加劲构造在工厂与轨道梁被焊接成为整体，墩柱或盖梁预留锚固孔。施工时将轨道梁运至现场，嵌套入盖梁或墩柱顶部，精确就位后，张拉锚固精轧螺纹钢筋，如图3所示。

图3 嵌套式连接

此锚固构造受到的压力由支承钢板传递至盖梁顶部，拉力通过嵌固钢板与盖梁间的摩擦力传递至墩柱，因此要求对精轧螺纹钢筋施加足够的预加力。此方案传力机制明确，支承钢板与嵌固钢板均在工厂与轨道梁焊接成为整体，焊缝质量及其疲劳性能可得到保证，但由于现场浇注的墩柱与工厂加工的嵌固钢板间的间隙不易控制，导致实施难度大。受此影响，拉力的传递可能失效，导致精轧螺纹受剪破坏。

2.3 预应力锚栓连接

固结构造由轨道梁下支承钢板及其加劲构造、墩顶预埋钢板、预应力锚栓及其锚固构造构成。支承钢板及其加劲构造在工厂与轨道梁被焊接成为整体，墩顶预埋钢板、预应力锚栓及其锚固系统预埋入桥墩盖梁。施工时将轨道梁运至现场，精确就位后，张拉预应力锚栓即可完成锚固，如图4所示。

图4 预应力锚栓连接

当锚栓施加足够的预加力时，此锚固构造在任何情况下，支承钢板与墩顶预埋钢板间都不会产生拉应力、当锚栓预加力产生的摩擦力大于固结构造所受水平力时，锚栓也不会受剪，因此锚固构造的传力非常可靠。同时，此锚固构造抗疲劳性能好，也符合跨座式单轨制式桥梁的受力特点。但此方案的轨道梁就位时需对孔，当预留锚栓数量较多时，施工难度将大大提高，因此应采用大直径锚栓，尽可能减少锚栓数量。

通过对上述3种方案的优缺点进行分析发现，预应力锚栓连接方式传力机理更为安全可靠，且具有较强的可实施性，因此推荐采用此方案。

3 墩梁固结构造验算

墩梁固结构造是刚构体系钢轨道梁受力的关键环节，其传力的可靠性直接决定着桥梁的整体受力性能，因此必须对其进行全面、精确的受力分析。根据其受力特点，验算内容主要包括:锚固构造的锚固能力及预应力锚栓受力验算，锚固构造稳定性计算，锚固构造的应力计算。

3.1 计算模型

墩梁固结构造的验算虽然仅是解决局部受力安全性的问题，但其对桥梁的整体安全性影响很大，必须采用精细化的仿真分析才能满足需要，为降低计算分析工作量，可采用局部的脱离体模型进行。本次研究对墩梁固结部位采用大型通用有限元程序ANSYS进行建模计算，有限元模型如图5所示。

图5 某中墩墩梁固结构造计算模型

混凝土采用实体单元solid65模拟，钢梁采用板单元shell63模拟，精轧螺纹钢采用3D杆单元link10模拟，设置成仅有受拉特性。为计算钢箱梁底板与混凝土盖梁之间只能受压不能受拉的非线性行为，在钢箱梁底板与混凝土盖梁表面之间设置微小间隙1 mm，在其间建立杆单元link10，并打开其仅受压特性。预应力锚栓采用精轧螺纹钢，其锚固端和张拉端处采用节点耦合的方式模拟锚垫板和钢板的协同变形和受力。精轧螺纹钢的初始内力为500 kN，初始应力为620 MPa，采用初始应变的方式施加。为便于计算和分析，盖梁采用等截面，其高度取1.5 m;外荷载根据整体结构计算结果施加于距梁端3 m的截面形心处。

3.2 锚固能力验算

3.2.1 转角位移固结验算

当预应力锚栓的预紧力足以克服所有外荷载对其产生的拉力时，锚固构造的支承钢板与墩顶预埋钢板间将没有相对转动位移发生，此时锚栓的应力几乎维持不变，基本不存在疲劳问题，此时可定义为转角完全固结构造。但在多数情况下，受固结构造及下部结构盖梁尺寸的影响，很难布置足够的锚栓，因而就不能施加足够的预紧力达到转角完全固结的目的，此时可设计为部分转角固结构造，即允许支承钢板与墩顶预埋钢板间产生部分间隙，但此时需保证锚栓的最大应力及应力幅满足要求。

图6 某中墩墩梁固结构造计算结果

式中，Δσmax为锚栓最大应力幅值;ΔUmax为最大脱离间隙;L为锚栓计算长度;E为锚栓弹性模量;σmax为锚栓最大应力。

根据对某中墩墩梁固结构造计算结果可以发现(见图6)，随着墩顶弯矩的增大，部分转角构造的脱离间隙和脱离比例相应增大，对应精轧螺纹钢筋应力的绝对值也相应增大，当墩顶弯矩在最不利弯矩12 000 kN·m作用下，部分固结构造脱离间隙约1.5 mm，脱离比例小于50%，接触面未出现脱离，此时锚栓最大拉应力为760 MPa，可满足JL32精轧螺纹钢筋的使用要求，使结构受力安全。

3.2.2 水平抗剪性能验算

根据墩梁固结的构造特点和工作原理，其水平抗剪承载力应由支承钢板与墩顶预埋钢板间的静摩擦力来提供，不允许预应力锚栓承受剪切作用。即

对于部分转角固结构造，固结构造的最大脱离间隙值与预应力锚栓的最大应力及应力幅值间存在如下对应关系式中，Fmax为锚固构造需要传递的最大水平力;∑N为锚固构造受到的轴向力，包括锚栓的预紧力及轨道梁传递的恒载竖向力;μ为支承钢板与墩顶预埋钢板间的摩擦系数。

计算结果表明，墩梁固结处的水平剪力最大值由抗震设计控制，且纵向水平剪力大于横向水平剪力，因此，纵向地震力作用下的抗剪验算结果见表1。

表1 水平抗剪承载力及安全系数

可以看出，中墩固结构造的抗剪安全系数在1.6～5.0之间。其中下限值为接触面粗糙度较小的情况，实际施工时可采取措施增大接触面的粗糙度，以保证墩梁固结构造具有较大的水平抗剪承载能力。

3.3 稳定性验算

由于固结构造需要承受轨道梁传递的双向弯矩、扭矩及水平力的共同作用，再加上锚栓施加的强大轴向力，对固结构造的稳定性影响很大，因此必须对其受力稳定性进行验算(见图7)。

图7 某边墩墩梁固结构造稳定性计算结果

可以看出，该构造设计的一阶失稳模态稳定安全系数为21.7，且并未发生在固结构造处，因此稳定性满足要求。

3.4 构件应力验算

由于固结构造受力复杂，存在应力集中区域，需对固结构造进行详细的应力审查，找出应力集中部位，通过优化构造，避免或改善结构的应力集中效应(见图8)。

可以看出，该墩梁固结构造应力集中区域出现在固结区腹板及刚度过渡板处，除精轧螺纹钢筋锚固端部出现大于200 MPa的应力集中现象外，锚固区腹板及加劲板的应力水平均在200 MPa以内;主梁顶部未出现较大的应力状态，梁顶钢结构应力水平在50 MPa左右，叠合层混凝土应力水平在4.0 MPa左右;固结区盖梁顶部混凝土除预埋钢板边缘出现较大应力集中现象外，盖梁顶部混凝土压应力水平在16.2 MPa以内，可满足设计要求。

图8 某边墩墩梁固结构造应力计算结果

4 结语

本文通过分析刚构体系钢轨道梁墩梁固结构造的功能需求，提出3种构造设计方案，比较其自身优缺点及适用性，推荐采用预应力锚栓连接方案，并在此基础上对墩梁固结构造的验算内容及验算方法进行了研究，得到如下结论:

1)墩梁固结构造不但要满足传力需求，还要具有调高、调坡的能力;

2)墩梁固结构造推荐选用构造合理、传力机理可靠、疲劳性能优越、可实施性好的预应力锚栓连接方案;

3)在实际工程中，应建立仿真模型对墩梁固结构造进行精确的数值分析，需对其转角位移固结能力、水平抗剪性能、稳定性及构件应力进行详细核算，确保其传力可靠，受力安全。

［1］跨座式单轨交通设计规范:GB 50458—2008［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008:33-41.

［2］钢结构设计规范:GB 50017—2003［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［3］李林.重庆跨座式单轨交通高架轨道梁桥设计［J］.城市轨道交通研究，2003(6):88-93.

［4］仲建华.跨座式单轨交通在我国的应用和创新［J］.都市快轨交通，2014，27(2):1-5.

［5］贺观.跨座式独轨交通的特点及其局限性［J］.城市轨道交通研究，2011(1):8-10.

［6］窦仲赟.跨座式单轨简支变连续轨道梁设计［J］.城市轨道交通研究，2009(1):64-66.

［7］杨佑发，王立福.跨座式单轨交通箱形钢轨道梁动力特性研究［J］.桥梁建设，2004(2):12-15.

［8］王冰.昌平轻轨钢-混凝土结合连续刚构桥设计［J］.铁道标准设计，2014(6):70-75.

［9］李晓斌，蒲黔辉，杨永清.跨座式轻轨钢轨道梁静动力分析［J］.世界桥梁，2007(3):48-50.

［10］周子云，朱尔玉，吕小寅，等.钢-混凝土简支组合轨道梁的优化设计［J］.铁道建筑，2004(11):17-19.

(编辑:郝京红)

Research on Pier-Beam Consolidation in Straddle-Type Rail Transit

Xu Yanling1Li Pandao1Wang Xinshan2
(1.Beijing General Municipal Engineering Design＆Research Institute，Beijing 100082; 2.Dalian University of Technology，Dalian 116024)

Due to its good ride comfort and strong span ability，rigid frame bridge with steel track beam has been widely used in straddle-type monorail transportation.By comparing the welding connection，nested connection and the connection with prestressed anchor bolt，a new connection schemewith pre-stressed anchor bolt has been put forward which hasmore reliable power transmissionmechanism，superior fatigue performance and better implementation.On the basis of this，the anchorage capacity of the anchorage structure，the stress checking computation of the pre-stressed anchor bolt and the calculation of its stability and stress are carried out.This research can provide guidance for similar bridge design.

straddle-typemonorail transportation;rigid frame bridgewith steel track beam;pier-beam consolidation;gap;stress amplitude

U231

A

1672-6073(2016)02-0066-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.015

2015-04-16

2015-06-09

徐艳玲，女，硕士，从事桥梁设计工作，xuyanling@bmedi.cn