大兴轻轨预应力混凝土连续刚构桥设计

　　摘要：介绍大兴轻轨40+64+40m预应力混凝土连续刚构桥的设计，结合桥式方案的选择，从受力特点及结构尺寸的拟定等方面进行受力分析，说明轻轨铁路桥梁的设计特点。
　　关键词：大兴轻轨，连续刚构桥，支架现浇，墩梁固结，桥墩刚度
　　1概述
　　大兴轻轨线是北京市城市轨道交通线网规划中由城市中心向城市外部辐射的一条南北线路，北起丰台马家楼，南至大兴新城南部建设边缘的南兆路，与地铁四号线接轨，形成贯穿北京市海淀区、西城区、宣武区、丰台区、大兴区的轨道交通干线，是一条客流需求和规划引导兼顾的轨道交通线路，正线全长22.2km。在新宫站至西红门站区间，设40m+64m+40m三跨预应力混凝土连续刚构桥。由于轨道交通车辆荷载轴重不大，使得连续刚构的设计较为灵活。关键是主墩的柔度要合理，在保证主墩承载能力的同时，柔度越大，上部结构越接近连续梁，墩身的内力越小，对基础的影响也越小。图1为此桥桥跨总体布置图。
　　
　　图1桥跨总体布置图(单位:cm)
　　2桥梁结构形式选择
　　2.1上部结构
　　本桥上部结构形式为预应力混凝土连续箱梁，全长143.8m（含两侧梁端至边支座中心各0.5m）。梁体控制截面梁高分别为：端支座处、边跨直线段及跨中处为2.0m，中支点处梁高4.0m，梁高按圆曲线变化，圆曲线半径R=218.5625m；箱梁顶板宽9.0m，底宽：端支座处及边跨直线段和跨中处为4.314m,中支点处为3.457,箱梁横截面为单箱单室斜腹板，腹板斜率为3：14。顶板厚30cm，底板厚30变厚至80cm，腹板厚分别为50cm、70cm；全桥共设5道横隔梁，分别设于中支点、端支点、跨中截面，中支点处设置厚3.0m的横隔梁，边支点处设置厚1.5m的端隔梁，跨中设置厚0.5m的中横隔梁。本桥梁部采用支架现浇施工。全桥采用15－Φj15.2、12－Φj15.2钢绞线，分为顶板、底板和腹板三种钢束类型，钢束均采用两端张拉方式。锚具分别采用M15－15、M15－12型群锚，张拉机具采用YCW350B和YCW250B型千斤顶。梁部纵、横断面布置图见图2。
　　图2粱体纵、横断面结构图(单位:cm)
　　2.2下部结构
　　2.2.1墩身截面
　　由于刚构桥桥墩和上部主梁共同受力，因此设计时应注意主梁与桥墩线刚度匹配的问题，使上、下部结构协调。无缝线路上的连续刚构，其下部结构承受较大的水平力作用（温度力、收缩徐变、制动力、长钢轨纵向力、地震力及汽车撞击力等），如果墩身刚度设计过大，墩底承载能力很难计算通过，对于梁部的受力也较为不利，因此，确定合理的桥墩结构形式和理想的断面尺寸也是连续刚构设计的关键所在。对于桥墩来说，其刚度与墩身高度和截面尺寸有关，在墩身高度一定的条件下，横向宽度变化对纵向刚度的影响远小于纵向厚度的变化。为了保证桥墩合理的刚度，在综合考虑了墩底受力大小、墩身配筋、粱体控制截面应力的大小以及桥下道路的界限要求等因素基础上，选择了3.3m×1.3m的截面尺寸。为了保证梁底与墩身截面平顺衔接，采用R=354.0m的圆曲线过渡。下部结构布置图见图3。
　　
　　图3下部结构布置图(单位:cm)
　　2.2.2基础设计
　　该桥桥位处地质条件较好，从上到下依次为杂填土、素填土、粉土、粉质粘土、粉砂、中砂、圆砾、卵石等。为保证基础的沉降要求，采用钻孔灌注摩擦桩。中墩承台厚度为2.5m，桩径为φ120cm，6根桩长为30.0m；边墩承台厚度为2.0m，桩径为φ100cm，4根桩长为22.0m。
　　特别需要注意的是进行计算时必须考虑基础和下部结构桥墩的共同作用，计算基础的出口刚度，当基础地质条件较差时，基础刚度的影响不能忽略。
　　2.2.3墩梁结合部
　　连续刚构由于其结构本身的特点，在墩梁固结处容易产生应力集中，本桥在设计时为了减小局部过大应力导致裂缝的产生，采用了以下几项措施：①墩顶与梁底结合部位沿桥轴线方向采用85cmx50cm的倒角进行过渡；②横隔梁处采用比较缓和的倒角过渡；③墩梁固结区域外壁加设一层钢筋网面。
　　3设计概要
　　3.1基本设计条件
　　（1）线路类别：轻轨
　　（2）正线数目：双线正线，线间距4.2m
　　（3）设计最高行车速度：80km/h。
　　（4）环境类别及作用等级：一般大气条件无防护措施的地面结构，环境类别为碳化环境，作用等级为T2级。
　　（5）地震基本烈度：Ⅷ度设防烈度，地震动峰值加速度：0.2g
　　（6）设计正常使用年限：正常使用条件下梁体结构设计使用寿命为100年。
　　3.2主要材料
　　(1)混凝土：主梁C50，中墩C50，边墩C35，中墩承台C40，边墩承台C30，桩基C30。
　　(2)钢筋：Ⅱ级，HRB335。
　　(3)预应力钢材：低松弛高强度预应力钢绞线，<15.24mm，fpk=1860MPa。
　　4结构纵向计算与分析
　　4.1恒载
　　（1）结构重力：梁体自重：γ取26.0kN/m3。
　　（2）二期恒载：包括线路设备重、接触轨、声屏障、罩棚、管线及其支撑设备、栏杆、桥面防水层和保护层等重量。其数值按99.56KN/m计。
　　（3）预应力参数：孔道摩阻系数0.17，孔道偏差系数0.0015
　　（4）混凝土收缩徐变：
　　环境条件按野外一般条件计算，相对湿度取70%。
　　根据老化理论计算混凝土的收缩徐变，系数如下：
　　徐变系数终极极值：2.0
　　徐变增长速率：0.0055
　　收缩速度系数：0.00625
　　收缩终极系数：0.00015
　　（5）支座不均匀沉降差：按10mm考虑。
　　4.2活载
　　（1）设计活载：
　　活载加载最大长度按一列车六辆编组设计，重车轴重P=140kN，空车轴重P=85kN。单线重车车辆荷载如图4所示，单线空车车辆荷载如图5所示（长度单位：m）。
　　
　　图4
　　
　　图5
　　（2）列车竖向活载：
　　计算竖向动力作用时，该列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数（1＋μ），其值为：
　　1＋μ＝1＋1.6×6/(30＋L)；
　　L—桥梁跨度(m)，不等跨连续梁为大跨跨度。
　　（3）列车离心力：按《地铁设计规范》（第9.2.6条）办理。车辆重心取轨面以上2m。
　　（4）长钢轨纵向力：117.8kN/轨。
　　4.3附加力
　　（1）制动力：按竖向静活载的15%计算，但当与离心力同时计算时，制动力或牵引力应按竖向静活载的10%计算。双线桥采用一线的制动力或牵引力（车站两侧与车站相邻100m范围内双线桥按双线制动力）。制动力或牵引力作用在列车重心处，当计算桥梁墩台时可移至支座中心处，计算刚架结构时移至横梁中心处。
　　（2）列车横向摇摆力：列车横向摇摆力作用在钢轨顶面处，其值为相邻两节车四个轴轴重的15％计算。
　　（3）风荷载：按《铁路桥涵设计基本规范》要求进行计算，基本风压取0.6kPa。
　　（4）温度力：
　　a、均匀温差取值按升温25℃、降温20℃计算温度应力影响。
　　b、日照温差的影响参照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）附录B执行。
　　（5）活动支座摩阻力：
　　F＝μ•N
　　μ——支座摩阻系数，取值0.05
　　N——竖向支反力
　　4.4特殊荷载
　　（1）地震力：设计地震基本烈度采用Ⅷ度，地震动峰值加速度：0.2g。按《铁路工程抗震设计规范》进行计算。
　　（2）施工荷载：采用现浇施工的桥梁应考虑施工荷载在施工期间对结构的影响。
　　（3）无缝线路断轨力：526.8kN/轨。
　　（4）汽车撞击力：顺行车方向为1000kN，垂直行车方向为500kN，作用在路面以上1.2m处。
　　4.5荷载组合
　　荷载按主力、主力+附加力、主力+特殊荷载进行组合，在每种组合中又分别按无车、一线有车一线无车以及双线有车三种工况考虑加载计算，具体组合件表1。
　　表1荷载组合
　　
　　
　　4.6计算模型
　　该桥纵向采用西南交大“桥梁结构分析系统BSAS4.23”进行计算，结构离散图见图6。
　　
　　图6结构离散图
　　5结语
　　连续刚构桥现已广泛应用于城市轨道交通中，采用预应力混凝土连续刚构方案，可以降低梁部支点的负弯矩以及跨中的正弯矩；抗震性能好，可免除设置专用大吨位抗震支座以及防震落梁装置。尤其在桥位线路范围内，没有条件设置轨道温度调节器。如采用连续梁体系，必须设置强劲的制动墩来克服长钢轨作用力，造成平面布置困难，而且影响景观效果。采用3跨预应力混凝土连续刚构桥，由于制动力和桥上的长钢轨作用力可由2个主墩共同承担，则很好地解决了这个问题。设计中充分考虑了这种结构形式的受力特点，并对关键技术进行了充分的研究。两桥于2009年6月完成施工图设计，预计2010年10月建成通车。这种结构形式在方案选取与结构分析等方面，可为其他轨道交通项目类似工程的应用提供经验参考。
　　
　　参考文献
　　[1]GB50157地铁设计规范[S]
　　[2]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.
　　[3]徐岳.王亚君.万振江.预应力混凝土连续梁桥设计.北京：人民交通出版社，2000