鐵路槽型梁設計構想

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1概述

某鐵路上跨趙家溝特大橋，由于受高程控制，線路在以小角度跨越趙家溝河道及河道兩邊公路時，為了滿足橋下凈空及通車界限的要求，主橋上部結構擬采用（80+108+80）m大跨度連續槽型梁結構(圖1)。大跨度連續槽型梁能滿足橋梁“大跨度、低高度”的發展要求，但國內大跨度槽型梁的設計和應用尚屬空白，無工程實例可供參考。結合某鐵路1（-80+108+80）m大跨度連續槽型梁的設計，系統深入的分析大跨度槽型梁具有重要的理論及實踐意義，不僅有利于加強對大跨度槽型梁受力性能的認識，確保結構安全，為今后槽型梁設計與合理施工工藝提供依據，同時也可填補國際及國內大跨度槽型梁設計的空白。

2主要結構特點

槽型梁是一種梁板空間組合預應力結構，屬于下承式橋梁，它由行車道床板、主梁及端橫梁等部分組成。當列車荷載作用在橋面上時，荷載通過道床板傳給主梁，再由主梁傳到支座。槽型梁最大的特點是能有效降低和控制橋梁建筑高度，且其建筑高度主要取決于行車道板的橫向跨度，當縱向跨度越大時，建筑高度的降低越明顯。因此，在梁下凈空受限制的情況下，可充分發揮其結構優勢。在結構受力上，槽型梁屬開口薄壁構件，具有受扭性能差、橋面板彎矩受縱梁扭轉剛度影響較大、縱梁腹板下端承受垂直方向吊拉力影響較大等特點。

3結構計算

3.1結構構造

（1）結構尺寸擬定。本梁體為等高度槽形梁，腹板帶有大圓孔，總高10.5m。梁截面內、外輪廓為圓弧形,其上方最大寬9.797m，下方為14m，梁體中間最寬處為14.42m。圓孔直徑4m,中心距為8m。腹板厚度0.7m，中支座處加厚為1.7m，邊支座和中跨中處加厚為1.2m；底板厚度為0.7m；上部翼緣厚度為0.6m～1.545m。頂部設有橫撐，橫撐寬度2m，厚0.6m,中支座處橫撐寬3m，厚0.8m。橋跨布置為(80+108+80)m預應力混凝土槽型連續梁，全長269.6m(含兩側梁端至邊支座中心各0.8m)。截面尺寸見圖2。（2）預應力鋼束布置。預應力混凝土槽型梁采用全預應力理論設計，在縱梁與道床板中布置縱向鋼束，在橫梁中布置橫向鋼束?？v向預應力鋼束采用兩端張拉，橫向預應力鋼束采用單端張拉，且張拉端交錯布置?？v向、橫向預應力采用低松弛高強鋼絞線，產品應符合GB/T5224-2003的標準。標準強度fpk=1860MPa、公稱直徑15.2mm、公稱截面積140mm2；Ep=1.95×105MPa。

3.2平面計算分析

縱梁的計算采用平面桿系有限元程序BSASforWindows(V4.23)進行計算，按全預應力混凝土構件進行設計。在布置縱向預應力鋼束時，按縱梁與道床板應力相近的原則，配置道床板縱向鋼束，以使縱向變形協調相近，防止梁體裂縫出現。全橋共劃分為54個單元，55個節點。設計荷載包括梁體自重、二期恒載、列車活載、風力、溫度荷載、預應力、混凝土收縮等。全橋共分為5個施工階段(圖3)，采用支架現澆施工，設臨時支座。澆注完A節段后，待梁段混凝土達到100%設計強度，齡期不小于10天，依次張拉縱-橫－豎向預應力，并及時壓漿，使該階段梁體在支架上具有簡支支承條件，以盡早形成明確的槽型構件的受力狀態。其余階段按順序施工。荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計。主要計算結果如下：（1）截面正應力(表1)。（2）安全系數（表2）。計算結果表明，安全系數均大于控制要求。（3）位移。①活載作用下的撓度值（符號：向上變形為“+”，向下變形為“-”）靜活載作用下最大撓度值中跨中-9.2mm為跨度的1/11739，邊跨中-4.9mm為跨度的1/16326,小于L/900。②恒載撓度值及預拱度設置恒載作用下引起的最大撓度值中跨中-10mm(Q2=175kN/m)、邊跨中-8mm(Q2=175kN/m)，由于恒載+1/2活載最大值為-14.6mm(Q2=175N/m)、-10.5mm(Q2=175kN/m)，不設預拱度。③梁端豎向折角和工后徐變(表3)在ZK活載作用下，梁端豎向折角為：0.211‰<1.0‰（rad）。本設計二期恒載上橋時間按預加應力后60天計算。均滿足要求。

3.3空間計算分析

考慮到槽型梁為縱、橫梁+整體板體系，其受力具有明顯的空間受力特性，因此還必須通過空間計算來分析結構的內力狀態。模型的建立以槽型梁的實際空間位置、尺寸、材料特性、連接方式、荷載條件以及鋼筋的影響為依據，通過建立實尺模型從而得到詳盡、準確可靠的分析結果。建模原則如下：(1)盡量再現結構原型，如實反映結構形狀和尺寸變化。(2)在保證求解精度和速度的前提下，取用適當簡化模型。(3)采用自由度耦合和約束方程建立上部與下部之間的連接關系。(4)分析中不考慮混凝土的徐變因素?；炷羻卧淳€性考慮。空間計算分析采用MidasFEA軟件，進行了三維實體單元模型計算。由于模型的重點在于了解上部結構的應力情況，進一步摸清槽型梁的受力特點，所以在建模的過程中忽略了墩柱和樁基的影響。三維實體單元模型如圖4所示。采用空間實體模型進行計算主要得到如下結論：(1)與平面模型結果相比較，槽型梁上緣縱向正應力于跨中處吻合較好，槽型梁底板應力誤差也比較小。(2)在支座處，槽型梁由于扭轉產生明顯的畸變、翹曲效應。(3)在橫向預應力的作用下，道床板頂、底板未出現橫向拉應力。僅在中支座倒角部位出現了3.5MPa的拉應力，且分布范圍比較小。(4)槽型梁內剪應力較小，均能滿足規范要求。

4結論

(1)此設計方案填補了國內大跨度槽型梁的設計和應用的空白，其外輪廓為圓弧形的造型也十分優美，且在頂部設置了橫撐，大大提高了主梁抗扭剛度，從而增強了槽型梁整體性及橫向剛度。

(2)由于主梁的寬度較大，支座橫向位置的設置對支點處橫梁的受力影響很大，因此支座橫向位置應根據在不同位置設置支承條件時橫梁的受力及主梁的扭轉情況來定。

(3)槽型梁由于腹板帶有大圓孔，正應力在圓孔處集中形成了明顯的剪力滯效應，在設計時應對這些地方鋼筋進行加強。

(4)支點處主梁和道床板連接處應力較復雜，既存在橫向的負彎矩，還有較大的縱向剪應力存在，在設計中應對此處進行局部分析。

(5)槽型梁是一種復雜的空間板梁組合結構，梁內鋼筋密集，工藝制作技術要求高使其應用受到限制。將具有優良力學性能的活性粉末混凝土(RPC)用于槽型梁可以較好地解決上述問題，充分發揮材料性能，同時可減輕結構自重，提高安全性。