铁路槽型梁设计构想

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1概述

某铁路上跨赵家沟特大桥，由于受高程控制，线路在以小角度跨越赵家沟河道及河道两边公路时，为了满足桥下净空及通车界限的要求，主桥上部结构拟采用（80+108+80）m大跨度连续槽型梁结构(图1)。大跨度连续槽型梁能满足桥梁“大跨度、低高度”的发展要求，但国内大跨度槽型梁的设计和应用尚属空白，无工程实例可供参考。结合某铁路1（-80+108+80）m大跨度连续槽型梁的设计，系统深入的分析大跨度槽型梁具有重要的理论及实践意义，不仅有利于加强对大跨度槽型梁受力性能的认识，确保结构安全，为今后槽型梁设计与合理施工工艺提供依据，同时也可填补国际及国内大跨度槽型梁设计的空白。

2主要结构特点

槽型梁是一种梁板空间组合预应力结构，属于下承式桥梁，它由行车道床板、主梁及端横梁等部分组成。当列车荷载作用在桥面上时，荷载通过道床板传给主梁，再由主梁传到支座。槽型梁最大的特点是能有效降低和控制桥梁建筑高度，且其建筑高度主要取决于行车道板的横向跨度，当纵向跨度越大时，建筑高度的降低越明显。因此，在梁下净空受限制的情况下，可充分发挥其结构优势。在结构受力上，槽型梁属开口薄壁构件，具有受扭性能差、桥面板弯矩受纵梁扭转刚度影响较大、纵梁腹板下端承受垂直方向吊拉力影响较大等特点。

3结构计算

3.1结构构造

（1）结构尺寸拟定。本梁体为等高度槽形梁，腹板带有大圆孔，总高10.5m。梁截面内、外轮廓为圆弧形,其上方最大宽9.797m，下方为14m，梁体中间最宽处为14.42m。圆孔直径4m,中心距为8m。腹板厚度0.7m，中支座处加厚为1.7m，边支座和中跨中处加厚为1.2m；底板厚度为0.7m；上部翼缘厚度为0.6m～1.545m。顶部设有横撑，横撑宽度2m，厚0.6m,中支座处横撑宽3m，厚0.8m。桥跨布置为(80+108+80)m预应力混凝土槽型连续梁，全长269.6m(含两侧梁端至边支座中心各0.8m)。截面尺寸见图2。（2）预应力钢束布置。预应力混凝土槽型梁采用全预应力理论设计，在纵梁与道床板中布置纵向钢束，在横梁中布置横向钢束。纵向预应力钢束采用两端张拉，横向预应力钢束采用单端张拉，且张拉端交错布置。纵向、横向预应力采用低松弛高强钢绞线，产品应符合GB/T5224-2003的标准。标准强度fpk=1860MPa、公称直径15.2mm、公称截面积140mm2；Ep=1.95×105MPa。

3.2平面计算分析

纵梁的计算采用平面杆系有限元程序BSASforWindows(V4.23)进行计算，按全预应力混凝土构件进行设计。在布置纵向预应力钢束时，按纵梁与道床板应力相近的原则，配置道床板纵向钢束，以使纵向变形协调相近，防止梁体裂缝出现。全桥共划分为54个单元，55个节点。设计荷载包括梁体自重、二期恒载、列车活载、风力、温度荷载、预应力、混凝土收缩等。全桥共分为5个施工阶段(图3)，采用支架现浇施工，设临时支座。浇注完A节段后，待梁段混凝土达到100%设计强度，龄期不小于10天，依次张拉纵-横－竖向预应力，并及时压浆，使该阶段梁体在支架上具有简支支承条件，以尽早形成明确的槽型构件的受力状态。其余阶段按顺序施工。荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合，取最不利组合进行设计。主要计算结果如下：（1）截面正应力(表1)。（2）安全系数（表2）。计算结果表明，安全系数均大于控制要求。（3）位移。①活载作用下的挠度值（符号：向上变形为“+”，向下变形为“-”）静活载作用下最大挠度值中跨中-9.2mm为跨度的1/11739，边跨中-4.9mm为跨度的1/16326,小于L/900。②恒载挠度值及预拱度设置恒载作用下引起的最大挠度值中跨中-10mm(Q2=175kN/m)、边跨中-8mm(Q2=175kN/m)，由于恒载+1/2活载最大值为-14.6mm(Q2=175N/m)、-10.5mm(Q2=175kN/m)，不设预拱度。③梁端竖向折角和工后徐变(表3)在ZK活载作用下，梁端竖向折角为：0.211‰<1.0‰（rad）。本设计二期恒载上桥时间按预加应力后60天计算。均满足要求。

3.3空间计算分析

考虑到槽型梁为纵、横梁+整体板体系，其受力具有明显的空间受力特性，因此还必须通过空间计算来分析结构的内力状态。模型的建立以槽型梁的实际空间位置、尺寸、材料特性、连接方式、荷载条件以及钢筋的影响为依据，通过建立实尺模型从而得到详尽、准确可靠的分析结果。建模原则如下：(1)尽量再现结构原型，如实反映结构形状和尺寸变化。(2)在保证求解精度和速度的前提下，取用适当简化模型。(3)采用自由度耦合和约束方程建立上部与下部之间的连接关系。(4)分析中不考虑混凝土的徐变因素。混凝土单元按线性考虑。空间计算分析采用MidasFEA软件，进行了三维实体单元模型计算。由于模型的重点在于了解上部结构的应力情况，进一步摸清槽型梁的受力特点，所以在建模的过程中忽略了墩柱和桩基的影响。三维实体单元模型如图4所示。采用空间实体模型进行计算主要得到如下结论：(1)与平面模型结果相比较，槽型梁上缘纵向正应力于跨中处吻合较好，槽型梁底板应力误差也比较小。(2)在支座处，槽型梁由于扭转产生明显的畸变、翘曲效应。(3)在横向预应力的作用下，道床板顶、底板未出现横向拉应力。仅在中支座倒角部位出现了3.5MPa的拉应力，且分布范围比较小。(4)槽型梁内剪应力较小，均能满足规范要求。

4结论

(1)此设计方案填补了国内大跨度槽型梁的设计和应用的空白，其外轮廓为圆弧形的造型也十分优美，且在顶部设置了横撑，大大提高了主梁抗扭刚度，从而增强了槽型梁整体性及横向刚度。

(2)由于主梁的宽度较大，支座横向位置的设置对支点处横梁的受力影响很大，因此支座横向位置应根据在不同位置设置支承条件时横梁的受力及主梁的扭转情况来定。

(3)槽型梁由于腹板带有大圆孔，正应力在圆孔处集中形成了明显的剪力滞效应，在设计时应对这些地方钢筋进行加强。

(4)支点处主梁和道床板连接处应力较复杂，既存在横向的负弯矩，还有较大的纵向剪应力存在，在设计中应对此处进行局部分析。

(5)槽型梁是一种复杂的空间板梁组合结构，梁内钢筋密集，工艺制作技术要求高使其应用受到限制。将具有优良力学性能的活性粉末混凝土(RPC)用于槽型梁可以较好地解决上述问题，充分发挥材料性能，同时可减轻结构自重，提高安全性。