钢-混凝土组合结构在城市轨道交通中的应用

2020-06-29谭满江刘朝晖

水电站设计 2020年2期

谭满江，刘朝晖

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410000)

0 前言

与钢桥相比，钢-混凝土组合结构梁桥具有节省钢材、建筑高度低、噪声小、耐疲劳等优点;与混凝土桥相比，钢-混凝土组合结构梁桥具有重量轻、刚度大、制造简单、施工速度快等优点。钢-混凝土组合结构是由钢材和混凝土两种性质不同的材料紧密组合的一个整体，如何使两种材料紧密相连并减少对结构的不利效应，对保证结构的施工质量和安全性都很重要。

与公路规范相比，轨道桥梁规范荷载多、刚度要求高。本文以长沙市轨道交通1号线北延一期工程中钢-混组合连续梁结构为例，对钢-混组合结构在城市轨道交通中的应用作了简要的介绍。

长沙市轨道交通1号线北延一期工程位于金霞组团段，线路起于彩霞路站，止于开福区政府站(1号线一期起点站)，线路长约10.67 km，高架段长约4.52 km(见图1)。

其中跨新安路(37+65+40) m连续梁和跨港城路(40+65+40) m连续梁均采用钢混组合连续梁结构(见表1)。

图1 1号线北延一期工程布置示意

表1 节点桥梁一览

1 跨规划新安路、规划港城路桥梁设计

设计采用(37+65+40) m钢混组合连续梁、(40+65+40) m钢混组合连续梁、分别跨越规划新安路和规划港城路(见图2)。

经有限元软件建模优化计算后，结构各项验算指标均满足规范要求，其中主要计算结果如表2所示。

图2 (40+60+40) m钢混组合连续梁示意

表2 (40+65+40) m钢混组合连续梁计算结果

(37+65+40) m、(40+65+40) m钢-混凝土组合梁桥梁全宽10.2 m。主桥根部梁高4.2 m，高跨比4.2/65=1/15.5；跨中梁高2.2m，高跨比2.2/65=1/29.5。梁高采用二次抛物线形式变化。

桥梁横桥向为单室钢-混凝土组合箱梁结构，纵向以支座为中心36 m范围内，钢箱梁采用闭口截面形式，其余部分采用开口截面形式，两侧悬挑2.3 m。开口截面钢箱梁每个腹板对应的上翼缘宽600 mm，钢箱梁内每隔6 m设置一道横隔板。跨中断面及中支点断面示意分别见图3～4。

图3 跨中断面示意(单位：mm)

图4 中支点断面示意(单位：mm)

钢箱梁与桥面混凝土板通过连接件连接在一起共同工作。在正弯矩区采用栓钉保证钢和混凝土的组合作用；在负弯矩区采用新型抗拔不抗剪连接件，有效解决负弯矩区开裂问题。

正弯矩区钢箱梁与桥面混凝土板通过剪力连接件连接在一起共同工作，剪力连接件采用Φ22圆柱头栓钉，栓钉熔后长度180 mm。

负弯矩区采用新型抗拔不抗剪连接件，抗拔不抗剪连接件构成部分：螺杆M22×3，长度L为180 mm，螺帽D为70 mm，t为20 mm，外套EVA泡棉套管t=15 mm，EVA泡棉发泡率为19。施工中，首先焊接螺杆至钢梁上翼缘，之后在螺杆外套上EVA泡棉套管，最后拧上螺母并在螺母外套上EVA泡棉套管，在浇筑混凝土前，需要在负弯矩区段将钢梁上翼缘顶面、螺帽底面刷上脱模剂(见图5)。

为提高梁端钢箱梁钢板的局部稳定性同时避免边支座支反力过小，在边跨靠近支座及中跨靠近支座浇筑C50混凝土。同时注意负弯矩钢梁底部灌混凝土区段底板纵向加劲肋之间均布置Φ22 栓钉，熔后长度180 mm。

钢-混组合梁钢结构部分由工厂加工，现场搭设临时支撑拼接，混凝土板采用现浇方式施工。

图5 主要施工步骤示意

2 钢-混组合结构与预应力混凝土结构比较

(40+65+40) m连续梁采用预应力钢筋混凝土结构和钢-混组合方案主梁的经济技术指标如表3所示。

由表3可知，对于跨径在65 m的城市轨道连续梁结构，采用钢-混组合梁方案比预应力混凝土方案增加的上构建造成本约48%。钢-混组合梁上构自重相比减轻44%，对于汽车作为活载的桥梁以及覆盖层较厚的地基上采上摩擦桩基础的桥梁来说，优化下构节省的建造成本可能多于上构增加的建造成本。

对于承受铁路荷载的桥梁来说，下构的结构尺寸受下构整体刚度的制约，可以优化的空间较小。

表3 主要经济技术指标对比

虽然钢-混组合梁在经济性上没有优势，但与混凝土梁相比，钢-混凝土组合梁具有以下优点：

(1)结构自重轻，对抗震有利。

(2)已安装钢梁可作为模板使用，节省了模板工程量。

(3)施工工期短，且对桥下交通的影响小。

(4)钢梁为工厂标准化生产，质量可控。

(5)上部结构不设预应力，施工简单，同时避免了预应力管道的通病。

综上所述，钢-混凝土组合结构在城市轨道桥梁中可以发挥出较大优势。

3 负弯矩桥面板开裂问题——抗拔不抗剪栓钉

栓钉连接件的抗剪作用是导致组合结构墩顶负弯矩区混凝土板产生拉应力的根本原因，其抗拔作用对防止混凝土板的分离和掀起，进而保障结构整体性和界面耐久性具有重要意义。

因此，保留传统连接件的抗拔作用并取消其抗剪作用，使钢与混凝土界面在不发生分离的前提下产生自由滑动应当是释放混凝土板拉应力、降低混凝土板开裂风险的有效途径，这种新型连接技术就定义为“抗拔不抗剪连接”技术(由聂建国院士发明)。抗拔不抗剪栓钉受力示意见图6，抗拔不抗剪栓钉构造示意见图7。

图6 抗拔不抗剪栓钉受力示意

图7 抗拔不抗剪栓钉构造示意

4 城市轨道交通规范特点

城市轨道交通桥梁规范与公路规范相比主要以下特点:

(1)采用允许应力法，区分主力组合和“主+附”组合。

(2)因桥面上列车和铁轨的作用，荷载种类比公路规范较多，具体说来，有列车横向摇摆力、无缝线路纵向水平力、无缝线路断轨力等。

(3)对刚度的要求较高，对工后徐变量有严格的限制。

4.1 荷载类型(见表4)

表4 荷载类型

4.2 刚度要求

(1)列车静活载作用下竖向挠度容许值(见表5)。

(2)横向自振频率。应不小于90/L，L为桥梁跨度，m。

表5 梁式桥跨结构竖向挠度容许值

(3)桥墩墩顶纵向水平线刚度。梁跨大于40 m的简支结构，其桥墩纵向水平线刚度可按跨度与30 m比增大的比例增大(见表6)。不设钢轨伸缩调节器的连续梁，当联长小于列车编组长度时，可以联长为跨度，按跨度与30 m比增大的比例增大刚度；当联长大于列车长度时，可以列车长为跨度，按跨度长与30 m比增大的比例增大刚度。

连续刚构可采用结构的合成纵向刚度。