何建梅，郭敏，陳亮

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州510010）

1 引言

目前，軌道交通常用的簡(jiǎn)支梁體系、連續(xù)梁系統(tǒng)支座及伸縮縫數(shù)量非常多，增加了維護(hù)成本，支座更換將影響軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)，通過研究預(yù)制拼裝全剛構(gòu)體系解決上述問題。地鐵高架橋的抗震性能不僅關(guān)系到城市的交通秩序的健康穩(wěn)定，而且更是人們生命安全的重要保障，需保證全剛構(gòu)體系在罕遇地震作用下使得結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震性能I的要求，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)，地震后不損壞或輕微損壞，能夠保持其正常使用功能【1】。為確保行車的舒適性及安全性，軌道交通全剛構(gòu)體系在設(shè)計(jì)上應(yīng)使結(jié)構(gòu)橫向自振頻率盡可能避開列車蛇形運(yùn)動(dòng)頻率【2】。通過風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析研究保證列車通過高架橋梁時(shí)的運(yùn)營(yíng)性能處于較優(yōu)良狀態(tài)。

2 預(yù)制拼裝全剛構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

廣州市軌道交通十四號(hào)線長(zhǎng)大區(qū)間大規(guī)模采用全剛構(gòu)體系橋梁，全剛構(gòu)體系采用4×40m大跨度結(jié)構(gòu)，梁高2m，梁頂寬10m，梁底寬2.4m，相比傳統(tǒng)的箱梁底寬更小，詳見圖1。40m的大跨度全剛構(gòu)體系給城市地上、地下的交通走廊留出更大的發(fā)展空間。主梁采用預(yù)制節(jié)段拼裝工法，邊墩通過后澆橫隔梁與主梁固接，中墩通過預(yù)留的后澆段與中墩固接。全剛構(gòu)系統(tǒng)增加結(jié)構(gòu)的跨度，使結(jié)構(gòu)受力更合理，并且大大降低了伸縮縫的維護(hù)成本及免除支座的維護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

預(yù)制拼裝連續(xù)剛構(gòu)主要步驟包括：節(jié)段懸掛定位，膠拼及臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉，簡(jiǎn)支束張拉，落梁至臨時(shí)墩，架橋機(jī)過孔，濕接縫澆筑，連續(xù)鋼束張拉，邊墩頂后澆混凝土澆筑等環(huán)節(jié)。廣州地鐵十四號(hào)線長(zhǎng)大區(qū)間高全剛構(gòu)體系詳見圖2。

圖1 廣州軌道交通十四號(hào)線長(zhǎng)大區(qū)間連續(xù)剛構(gòu)橫斷面圖

圖2 廣州地鐵十四號(hào)線長(zhǎng)大區(qū)間高全剛構(gòu)體系

由于縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的擴(kuò)散距離要求，預(yù)應(yīng)力在邊墩頂橫隔梁范圍作用不大，需通過配置不同的鋼筋，避免墩梁固接連接處開裂。全剛構(gòu)體系橋梁邊墩頂后澆橫隔梁鋼筋配置按不同的受力需求進(jìn)行配置，頂、底板縱向鋼筋抗彎及抗剪，橫向鋼筋抗剪，詳見圖3。

圖3 邊墩落梁工況下端節(jié)段鋼筋構(gòu)造圖

通過BIM設(shè)計(jì)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)常規(guī)設(shè)計(jì)的預(yù)制端節(jié)段縱橫向水平鋼筋與橋墩豎向鋼筋、預(yù)埋在橋墩內(nèi)的豎向排水管發(fā)生碰撞，存在無法落梁的施工風(fēng)險(xiǎn)。通過在梁場(chǎng)采用定位卡槽固定鋼筋，用鋼管精確定位模擬橋墩豎向鋼筋及排水管，進(jìn)行碰撞檢查，配置U型鋼筋等措施解決無法落梁的風(fēng)險(xiǎn)，詳見圖3。

3 全剛構(gòu)體系自振特性分析

蛇行運(yùn)動(dòng)是行駛列車導(dǎo)致橋梁橫向振動(dòng)的最主要原因之一【3】。為確保行車的舒適性及安全性，軌道交通橋梁在設(shè)計(jì)上應(yīng)使橋梁結(jié)構(gòu)橫向自振頻率盡可能避開列車蛇形運(yùn)動(dòng)頻率（約0.6～0.8Hz）【4】。

根據(jù)不同的墩高，對(duì)廣州地鐵十四號(hào)線預(yù)制節(jié)段拼裝全剛構(gòu)體系橋梁的自振特性進(jìn)行了全面的研究分析。

研究跨度組合為4×40m、3×40m全剛構(gòu)體系橋梁隨著墩高變化引起的橫向自振頻率變化規(guī)律。

如圖4所示，橋梁橫向自振頻率隨著墩高增加而降低，且橫向自振頻率隨著孔跨數(shù)的減少而減小。

4 全剛構(gòu)體系抗震性能分析

廣州地鐵十四號(hào)線高架段抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，場(chǎng)區(qū)所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)特征周期為0.35s。

圖4 不同墩高連續(xù)剛構(gòu)自振頻率

根據(jù)Midas civil中M-Φ曲線的結(jié)果，可利用彎矩-曲率曲線評(píng)價(jià)截面的性能，首先判斷橋墩在順橋向地震作用及橫橋向地震作用下是否進(jìn)入屈服狀態(tài)，屈服狀態(tài)以截面最外層鋼筋首次屈服為準(zhǔn)【5】。

表1 墩底屈服狀態(tài)判別

表1為墩高14m的4×40m預(yù)制拼裝全剛構(gòu)體系橋梁的計(jì)算結(jié)果。由結(jié)果可知，全剛構(gòu)體系橋梁墩頂及墩底截面在罕遇地震作用下未進(jìn)入屈服狀態(tài)，在罕遇地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震性能I的要求。

5 全剛構(gòu)體系運(yùn)營(yíng)性能分析

選取墩高為14m、18m及20m的4×40m預(yù)制節(jié)段拼裝全剛構(gòu)體系全橋分析模型，進(jìn)行風(fēng)—車—橋系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)仿真計(jì)算與分析研究，計(jì)算模型設(shè)計(jì)車速為120km/h，檢算為140km/h。分析計(jì)算模型采用動(dòng)力學(xué)勢(shì)能駐值原理及形成矩陣的“對(duì)號(hào)入座”法則。

采用全橋分析模型分別計(jì)算了系統(tǒng)在無風(fēng)、風(fēng)速為15m/s，20m/s和25m/s情況下的橋梁的豎向與橫向位移、車輛豎向與橫向加速度、輪對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率等。軌道不平順函數(shù)采用了美國(guó)六級(jí)譜不平順標(biāo)準(zhǔn)。直線電機(jī)車輛對(duì)軌道沖擊作用產(chǎn)生振動(dòng)，通過結(jié)構(gòu)（橋梁墩臺(tái)、軌道、軌道梁）傳遞，誘發(fā)二次振動(dòng)。

5.1 風(fēng)-車-橋系統(tǒng)動(dòng)力特性計(jì)算分析

計(jì)算墩高14m、18m及20m的4×40m預(yù)制節(jié)段拼裝全剛構(gòu)體系在無風(fēng)狀態(tài)下和各風(fēng)速下的橋梁響應(yīng)最大值，其中，墩頂橫向位移值均為相對(duì)于初始平衡位置而言（見圖5）。

圖5 不同墩高墩頂橫向位移

如圖5所示，橋墩墩頂最大橫向位移呈現(xiàn)出隨車速增加而增大的趨勢(shì)。有風(fēng)工況下的橋梁響應(yīng)均大于無風(fēng)工況，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)。

5.2 車輛動(dòng)力響應(yīng)

表2給出了14m、20m墩高4×40m剛構(gòu)在無風(fēng)狀態(tài)下和各風(fēng)速下的動(dòng)車車輛響應(yīng)最大值。

表2 動(dòng)車動(dòng)力響應(yīng)最大值

根據(jù)廣州地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，可以采用20m/s風(fēng)速作為風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析計(jì)箅風(fēng)速。由表2可得，脫軌系數(shù)、輪重減載率及列車行車舒適性指標(biāo)隨著風(fēng)速增大而增加。

當(dāng)風(fēng)速為20m/s，B型車以120km/h通過該全剛構(gòu)體系時(shí)，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)，脫軌系數(shù)＜0.8；輪重減載率＜0.6，列車行車安全性滿足要求；舒適性指標(biāo)為2.50～2.75，列車行車舒適性滿足“良好”要求。

當(dāng)橋面平均風(fēng)速達(dá)到25m/s時(shí)，B型車分別以120km/h通過全剛構(gòu)體系時(shí)，橋梁的安全性指標(biāo)均在容許值以內(nèi)，但列車行車舒適性不滿足要求，應(yīng)限速通行。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)廣州地鐵十四號(hào)線全剛構(gòu)體系關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，分析邊墩后澆帶鋼筋設(shè)置原則、全剛構(gòu)體系橋梁橫向自振頻率、罕遇地震下橋墩的屈服狀態(tài)、全剛構(gòu)體系的運(yùn)營(yíng)性能，得出以下結(jié)論：

1）通過研究分析，制定預(yù)制拼裝全剛構(gòu)體系邊墩頂后澆段鋼筋配置原則：頂板縱向、底板縱向水平鋼筋主要用于承擔(dān)梁端彎矩，并承擔(dān)頂?shù)装褰佑|面?zhèn)鬟f的剪力。

2）對(duì)于不同墩高，連續(xù)剛構(gòu)橫向自振頻率隨著單孔跨徑增加而降低。預(yù)制拼裝全剛構(gòu)體系橋梁橫向自振頻率已避開列車蛇形運(yùn)動(dòng)頻率。

3）廣州地鐵十四號(hào)線預(yù)制拼裝全剛構(gòu)體系橋梁在罕遇地震作用下，橋墩混凝土只開裂并未進(jìn)入屈服狀態(tài)。

4）列車在有風(fēng)條件下通過橋梁時(shí)，當(dāng)橋面平均風(fēng)速等于或低于20m/s時(shí)故可暢通運(yùn)行；當(dāng)橋面平均風(fēng)速達(dá)到25m/s時(shí)，可限速通行；當(dāng)橋面平均風(fēng)速達(dá)到30m/s，禁止通行。