蘇 國

1 概述

預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁(簡(jiǎn)稱槽形梁)是一種下承式預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，由道床板、主梁及端橫梁等部分組成。從道床板上通行的線路來分，可分為單線槽形梁與雙線槽形梁。按端部支承情況，則可以四點(diǎn)支承，也可以做成滿布支承。

與普通橋梁相比，槽形梁具有比較鮮明的特點(diǎn):可以顯著降低結(jié)構(gòu)建筑高度;主梁腹板能有效抑制噪聲的傳播;主梁還可以作為擋板，防止車輛傾覆，兼作人員逃生通道等［1］。

2 槽形梁受力特點(diǎn)

槽形梁屬于一種復(fù)雜的空間板梁組合結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)受力上，槽形梁作為一種下承式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，具有開口薄壁構(gòu)件受扭性能差，主梁腹板受力與橋面板連接構(gòu)造復(fù)雜，橋面板彎矩受主梁的扭轉(zhuǎn)剛度影響較大等特點(diǎn)。目前國內(nèi)軌道交通中槽形梁跨徑一般不超過30m，但在跨越城市道路等節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)跨越能力有更高的要求，本文結(jié)合具體軌道交通項(xiàng)目，設(shè)計(jì)研究35m跨徑軌道交通槽形梁，通過大型有限元軟件ANSYS建立實(shí)體空間模型，分析槽形梁的受力特性，為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上通過桿系模型進(jìn)行具體的梁體設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 主要設(shè)計(jì)過程

本次槽形梁擬定斷面構(gòu)造如圖1所示。

3.1 空間有限元分析

1)有限元模型。實(shí)體單元模型采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，混凝土單元采用Solid45實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Link8單元進(jìn)行模擬，另外利用Surf154單元進(jìn)行二期面荷載加載。有限元模型如圖2，圖3所示，Solid45實(shí)體單元19320個(gè)，Link8單元1680個(gè)，Surf154單元2520個(gè)，全橋共計(jì)23520個(gè)單元，27804個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2)成橋狀態(tài)結(jié)果分析。圖4為成橋狀態(tài)時(shí)梁體的整體變形圖，可以看出薄壁開口構(gòu)件的變形特征，腹板抗扭性能偏弱，在跨中附近，腹板敞口向兩側(cè)擴(kuò)大的變形，而在梁端附近，腹板頂部有向內(nèi)側(cè)的變形。圖5為成橋階段跨中截面順橋向正應(yīng)力云圖，跨中為全截面受壓，應(yīng)力狀態(tài)較好。圖6為成橋階段跨中截面橫橋向正應(yīng)力云圖，底板的橫向受力可以按照兩端嵌固在腹板底部的單向板計(jì)算，橫向跨中承受正彎矩，在腹板位置附近承受負(fù)彎矩，由于槽形梁為薄壁開口構(gòu)件，腹板對(duì)底板的嵌固作用較弱，從應(yīng)力云圖中可以看出，跨中板頂、底面橫向應(yīng)力較大，而在梁肋處應(yīng)力并不是很大，所以本梁的底板橫向配筋不能完全參照《公路混凝土規(guī)范》第4章4.1.2條采用［2］，建議底板橫向跨中配筋按照兩端簡(jiǎn)支的簡(jiǎn)支板進(jìn)行設(shè)計(jì)，而梁肋處的彎矩可以按照規(guī)范偏保守設(shè)計(jì)，本梁底板橫向沒有配置預(yù)應(yīng)力，為保證梁體的耐久性，應(yīng)嚴(yán)格控制底板橫向受力裂縫寬度，上海市軌道交通11號(hào)線南段的槽形梁橫向裂縫控制在0.1 mm之內(nèi)，因此本梁的橫向配筋參考這一標(biāo)準(zhǔn)，裂縫控制在0.1 mm左右，較規(guī)范值偏保守。

3.2 平面梁體設(shè)計(jì)

1)構(gòu)件類型。

槽形梁屬于一種復(fù)雜的空間板梁組合結(jié)構(gòu)，具有較為明顯的空間受力特性，經(jīng)過三維空間模型分析，可以將設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)化為常規(guī)順橋向、橫橋向的平面模型設(shè)計(jì)，本槽形梁縱向?yàn)楹髲埛A(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，按照全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。橫向?yàn)槠胀ㄤ摻罨炷翗?gòu)件，按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。采用地鐵A型列車。

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù):設(shè)計(jì)安全等級(jí)取一級(jí)，相應(yīng)地，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1;容重:槽形梁混凝土容重為26 kN/m3，計(jì)算中不再計(jì)入鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線重量;混凝土與普通鋼筋材料:梁體結(jié)構(gòu)采用C55號(hào)混凝土，普通鋼筋主要采用HRB335;預(yù)應(yīng)力鋼束:采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線φs15.2(符合GB/T 5224-2003)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每個(gè)張拉端鋼束錨固時(shí)彈性回縮合計(jì)總變形ΔL=6 mm;鋼束編束方式有M15-12，M15-7兩種，其成孔面積分別為6082 mm2，4186 mm2;為減少預(yù)應(yīng)力鋼絞線的沿程損失σL1，采用較新的預(yù)應(yīng)力施工工藝:a.預(yù)埋塑料波紋管;b.真空灌漿系統(tǒng)。此時(shí)，管道每延米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)k取0.0015，預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)μ取0.15;約束與變形:對(duì)于順橋向計(jì)算，根據(jù)支座順橋向位置形成簡(jiǎn)支約束;對(duì)于橫橋向計(jì)算，根據(jù)主梁中心位置形成簡(jiǎn)支約束;一期恒載:即為構(gòu)件自重，二期恒載:主要為整體道床重量，對(duì)于順橋向平面計(jì)算，取為14.2 kN/m;對(duì)于橫橋向平面計(jì)算，取為7.1 kN，集中力作用在距跨中0.75m的兩側(cè)節(jié)點(diǎn)位置上。橋面鋪裝按平均40mm(密度24 kN/m3);列車荷載:采用地鐵A型列車;動(dòng)力系數(shù):動(dòng)力系數(shù)(1+μ)根據(jù)《鐵路基本規(guī)范》［3］計(jì)算。

2)縱向計(jì)算。

建立平面有限元模型如圖7所示，成橋狀態(tài)下順橋向平面計(jì)算得到的組合正應(yīng)力和主應(yīng)力分布如圖8所示。

3)橫橋向計(jì)算。

對(duì)于橫橋向平面計(jì)算，因?yàn)榱熊嚭奢d并非直接作用在道床板上，而是通過鐵軌及鐵軌下整體道床傳力，考慮到列車荷載作用時(shí)，槽形梁橫向剛度較縱向剛度大得多，可以假定列車荷載首先由道床板承受。此時(shí)道床板形成由槽形梁主梁約束的單向板。鐵路規(guī)范對(duì)于單向板計(jì)算并無明確條文說明，采用《公路混凝土規(guī)范》第4章Page14～Page15計(jì)算荷載分布寬度。取橫向跨徑:

動(dòng)力系數(shù):

單輪重F=80 kN，鋪裝層厚度h=0.5m，計(jì)垂直于跨徑方向的荷載分布寬度為a，縱向車輪最小外輪中距計(jì)為d，經(jīng)計(jì)算比較，道床板在2車輪作用下的最為不利，此時(shí)F'=29.096×(1+μ)=39.2 kN/m。按此工況進(jìn)行橫向配筋設(shè)計(jì)。

4)槽形梁抗剪扭設(shè)計(jì)。

由于槽形梁的特點(diǎn)是開口薄壁截面，抵抗扭矩的性能相對(duì)較差，需要檢算槽形梁的剪扭承載能力。現(xiàn)有《鐵路混凝土規(guī)范》［4］對(duì)于截面彎、剪、扭承載能力的計(jì)算并無明確規(guī)定。本次剪扭檢算參考“公路規(guī)范”執(zhí)行。本橋驗(yàn)算截面取在順橋向指向跨中距支點(diǎn)1.0m處。

a.截面受扭塑性抵抗矩計(jì)算。根據(jù)《公路混凝土規(guī)范》第5.5.5條5.5.5-7公式，單片主梁的截面受扭塑性抵抗矩:Wt主=Wtw+Wtf'+Wtf。其中，槽形梁縱向各截面的截面受扭塑性抵抗矩依《公路混凝土規(guī)范》第5.5.2 條 5.5.2-1 公式，第 5.5.5 條 5.5.5-4，5.5.5-5公式計(jì)算。簡(jiǎn)單并偏安全地，主梁分段不考慮截面加勁肋的影響。b.剪力及扭矩計(jì)算。根據(jù)《鐵路基本規(guī)范》第4.4.1條4.4.4-1公式，風(fēng)荷載強(qiáng)度:W=K1K2K3W0。取風(fēng)載體型系數(shù)K1=1.3，風(fēng)壓高度變化系數(shù)K2=1.00，地形、地理?xiàng)l件系數(shù)K3=1.0，基本風(fēng)壓 W0=800 Pa，得 W=1040 Pa。

剪扭組合時(shí)，本橋僅考慮由于橫向風(fēng)荷載及列車搖擺力產(chǎn)生的扭矩，扭矩計(jì)算參照《鐵路通用規(guī)范》計(jì)算。根據(jù)《公路混凝土規(guī)范》第5.5.3條規(guī)定，槽形梁截面可由腹板、受壓翼緣、受拉翼緣、底板4部分組成，其中受壓翼緣、受拉翼緣、底板作為純扭構(gòu)件按第5.5.1條規(guī)定計(jì)算，而腹板則應(yīng)作為剪扭構(gòu)件按第5.5.4條計(jì)算。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)際工程中一片35m跨徑槽形梁的實(shí)體有限元模型分析，并且詳細(xì)敘述了槽形梁計(jì)算設(shè)計(jì)過程，可以得出以下結(jié)論:

1)槽形梁具有較為明顯的空間受力特性，經(jīng)過三維空間模型分析，可以將設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)化為常規(guī)順橋向、橫橋向的平面模型設(shè)計(jì)。2)由于槽形梁為薄壁開口構(gòu)件，腹板對(duì)底板的嵌固作用較弱，根據(jù)空間模型分析，建議底板橫向跨中配筋按照兩端簡(jiǎn)支的簡(jiǎn)支板進(jìn)行設(shè)計(jì)，而梁肋處的彎矩可以按照公路規(guī)范偏保守設(shè)計(jì)。3)為保證梁體的耐久性，應(yīng)嚴(yán)格控制底板橫向受力裂縫寬度，裂縫控制在0.1 mm左右。4)槽形梁屬于開口薄壁構(gòu)件，受扭性能差，對(duì)于梁體抗剪、扭設(shè)計(jì)尤為重要。

［1］文志云，艾列奇，劉祖華.上海軌道交通6號(hào)線槽形梁試驗(yàn)研究［J］.中國市政工程，2006(1):66-67.

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.

［4］TB 10002.3-2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.