陳焰焰

(中鐵四院集團西南勘察設(shè)計有限公司，云南昆明 650000)

輕軌高架簡支箱梁橋計算分析

陳焰焰

(中鐵四院集團西南勘察設(shè)計有限公司，云南昆明 650000)

運用平面桿系方法，采用有限元計算程序橋梁博士3．2．0和BSAS4．22對預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室簡支箱梁橋進行縱、橫向計算，分析了端橫梁支座脫空的問題，并對比給出了三線梁與雙線梁合理的鋼索方案，計算過程和結(jié)果分析對同類橋梁設(shè)計具有參考意義。

輕軌高架，簡支箱梁，預(yù)應(yīng)力混凝土，橫向計算，平面桿系

城市軌道交通在我國是一項方興未艾的工程，從上海明珠線、天津津濱線到武漢輕軌1號線，全國各地有許多城市正在修建輕軌高架橋梁。在一般的箱梁計算中，大多將箱梁簡化為平面桿系結(jié)構(gòu)，采用有限元程序進行計算，能夠得到很好的解決，尤其在很多標準跨徑的簡支箱梁的計算結(jié)果受到一致認可，但實際上箱梁結(jié)構(gòu)本身為三維空間結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用了上述方法后，所得到的計算結(jié)果只是箱梁縱向的分析計算結(jié)果。當(dāng)輕軌橋梁為雙線或者多線橋時，列車絕大多數(shù)情況是非對稱的偏心荷載，偏載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的空間效應(yīng)必須予以重視，故還要對橋梁橫向進行單獨的計算分析，以保證橋梁橫向的剛度、強度和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

1 箱梁截面特性分析

1．1 截面特點

箱梁頂板的豎向荷載有自重、二期恒載、設(shè)備和管道重、列車活載、收縮徐變和溫度荷載，底板豎向荷載有自重、收縮徐變和溫度荷載。順橋向荷載有橋跨方向上恒、活載轉(zhuǎn)換過來的縱向水平力，以及縱向預(yù)應(yīng)力荷載;橫橋向荷載有活載產(chǎn)生的離心力、搖擺力和徑向力，以及橫向風(fēng)荷載。確定箱梁截面頂、底板厚度一般需

1．2 受力分析

根據(jù)JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《公路橋規(guī)》)箱梁縱向長度與橫向長度之比遠大于2，橫向可按單向板來計算。箱梁橫向計算除了考慮1．1所述直接作用在頂板上的力外，還要考慮縱向主梁相鄰單元對截面的約束作用，該約束力的大小與主梁縱向剛度成正比，與截面的剛度成反比?，F(xiàn)有輕軌高架橋文獻和資料對于橫向簡化計算中，一般都沒考慮這部分作用，這對計算分析來說是偏保守的。

2 工程實例

本文以昆明軌道交通某工程30 m跨單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋為例，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS4．2．2對結(jié)構(gòu)縱向進行配索分析，采用橋梁博士3．2．0對結(jié)構(gòu)橫向配筋分析。

2．1 箱梁截面設(shè)計

取30 m簡支梁為例，計算跨徑為29．14 m，梁長29．94 m，設(shè)計時速為100 km/h，雙/三線行車，線間距為8 m，梁體為單箱雙室斜腹板箱形截面。箱梁頂寬13．1 m，底寬7．9 m，梁高1．8 m?？缰薪孛骓敯搴?5 cm，底板厚25 cm，腹板厚28 cm;端支點截面頂板厚45 cm，底板厚50 cm，腹板厚60 cm;翼緣厚20 cm。梁體采用C50混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力鋼索采用9-φj15．2 mm鋼絞線。箱梁橫斷面見圖1。

圖1 箱梁橫斷面（單位：cm）

2．2 橫向計算

2．2．1 跨中截面計算模型

取箱梁一延米跨中截面簡化為框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)《公路橋規(guī)》考慮列車活載作用在承軌臺時，要求計算橋面板的分布寬度，計算過程見《公路橋規(guī)》4．1．3節(jié)。計算完荷載有效寬度后，再將1．1所述力換算為每延米的荷載作用在框架上進行加載。跨中截面共分為65個單元，建立結(jié)構(gòu)計算模型見圖2。

2．2．2 施工階段模擬

施工階段模擬分為兩個階段：第一階段加載結(jié)構(gòu)自重，即安裝1號～65號單元;第二階段施加二期恒載線集度，包括軌道結(jié)構(gòu)荷載、電力電纜荷載、擋板荷載、聲屏障豎向荷載、防水層荷載、接觸軌荷載和疏散平臺荷載。

圖2 結(jié)構(gòu)計算模型

2．2．3 運營階段

運營階段主要考慮活載的加載方法，通過車輪傳遞到板上的荷載分布寬度按2．2．1節(jié)計算的結(jié)果，然后根據(jù)一個輕軌車輛軸重的大小換算成線荷載加載在承軌臺上，左右線對稱布置。除此之外，還應(yīng)考慮離心力、搖擺力、風(fēng)荷載、均勻升降溫、橫框非均勻溫度力和脫軌荷載，按GB 50157-2003地鐵設(shè)計規(guī)范和相關(guān)規(guī)范計算，日照塞潮計算模式見圖3。

圖3 日照、寒潮計算模式

2．2．4 荷載組合

根據(jù)GB 50157-2003地鐵設(shè)計規(guī)范，模擬三種荷載工況，就其可能出現(xiàn)的最不利組合進行計算分析。主力工況：自重+二期恒載+混凝土收縮徐變+活載;主+附工況：1)自重+二期恒載+混凝土收縮徐變+活載+搖擺力+溫度力;2)自重+二期恒載+混凝土收縮徐變+活載+風(fēng)力+溫度力，取1)，2)包絡(luò)計算;主+特工況：自重+二期恒載+混凝土收縮徐變+脫軌荷載。

2．2．5 計算結(jié)果

按三種工況分別對施工階段和成橋階段計算，取成橋階段各組合最不利工況主力+附加力彎矩見圖4。

圖4 主+附工況最小彎矩圖

根據(jù)各單元最不利組合下的內(nèi)力，采用HRB335鋼筋，配置箱梁普通鋼筋，頂板頂層設(shè)置φ20 mm鋼筋，底層為φ16 mm鋼筋;底板頂層、底層均為φ16 mm鋼筋;腹板為φ16 mm閉合雙肢箍筋。按照間距10 cm布置。輸出橋博內(nèi)力結(jié)果，根據(jù)鐵路規(guī)范對成橋階段各工況強度進行檢算，見表1。

2．2．6 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果表明，箱梁橫向配筋計算的控制工況一般為主+附工況，并不受主+特工況制約。中腹板的受力較小，可按構(gòu)造配筋。按所示方法進行荷載加載和配筋是比較合理的，應(yīng)力、強度和裂縫方面均滿足規(guī)范要求。

2．2．7 端支點截面橫向計算

箱梁恒載、活載產(chǎn)生的順橋向力主要通過腹板傳至端橫梁，然后再按照墩子→樁基→大地的順序進行傳遞。端橫梁除了承受自身的恒載和活載之外，還要承受來自順橋向通過腹板傳來的剪力。而由腹板傳遞過來的活載部分的剪力占端橫梁截面荷載的比重較小，且這部分剪力的傳遞和分布也難以分析，計算時往往忽略這部分的作用。因此，端橫梁的橫向計算重點在于考慮結(jié) 構(gòu)恒載在腹板上力的分配，這是有別于跨中截面橫向計算之處。

表1 強度驗算

其次，對于三腹板端橫梁橫向計算特別應(yīng)注意兩邊腹板荷載的加載位置，理論上荷載是從頂板向腹板的中心線向下傳遞的，將力的作用線直接加載在頂板的腹板中心線上，但是當(dāng)計算支反力的時候，按這樣的荷載加載圖示中支座往往會出現(xiàn)支座脫空的現(xiàn)象。

經(jīng)模型計算結(jié)果表2對比，直接將荷載的作用線加載在梁底的腹板中心處，如圖5所示，計算結(jié)果符合實際情況，支座不會出現(xiàn)拉力，兩種圖示的內(nèi)力計算結(jié)果相差并不大。

圖5 端支點橫框加載示意圖

2．3 縱向計算

2．3．1 縱向計算模型

表2 支反力結(jié)果

本梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件采用西南交通大學(xué)開發(fā)的BSAS4．22版本計算，將結(jié)構(gòu)離散成34個單元，如圖6所示。

2．3．2 三線簡支梁縱向計算

本工程段內(nèi)存車線、折返線三線線間距8 m，并滿足限界要求，設(shè)置頂寬13．1 m單箱雙室箱梁，中間一線兼顧夜間停車所用。

通過縱向配索調(diào)算，縱向預(yù)應(yīng)力鋼索采用符合GB 5224標準的9-φj15．2 mm鋼絞線，YM15-9型錨具，鋼索管道采用內(nèi)徑為80 mm的金屬波紋管成孔，鋼絞線錨下的張拉控制應(yīng)力為1 209 MPa，極限抗拉強度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1．95×105MPa。除N5，N5'，N6，N6'采用一端張拉外，其余皆采用兩端張拉。鋼索張拉次序遵循原則：先張拉腹板索，再張拉底板索;先張拉長索，后張拉短索，對稱張拉。全梁底板索及中腹板只在豎直平面內(nèi)彎曲，無水平彎曲;邊腹板彎索則在邊腹板的傾斜平面內(nèi)彎曲，亦無平面外彎曲。跨中截面鋼索布置如圖7所示。

圖6 縱向計算模型

圖7 跨中截面鋼索布置圖

2．3．3 雙線簡支梁縱向計算

考慮景觀上一致，以及施工節(jié)約成本、模板的重復(fù)利用因素，存車線大小里程兩端5 m～8 m線間距范圍內(nèi)所用梁跨仍采用頂寬13．1 m單箱雙室箱梁的結(jié)構(gòu)形式。因沒有夜間停車的用途，這處為雙線梁。與三線梁相比，在結(jié)構(gòu)形式相同的情況下，雙線梁頂部所受二期恒載、活載(計沖擊作用)均有所減小。雙線梁在配索方面采取兩種方案。方案1：采用三線梁的鋼索不變;方案2：在三線梁鋼索布置的基礎(chǔ)上去掉多余的鋼索。計算結(jié)果對比見表3。

表3 兩種方案計算結(jié)果對比

N1，N2，N3，N7，N8，N9 為在頂板張拉的鋼索，去掉會產(chǎn)生梁端頂、底板混凝土應(yīng)力分布不均勻的影響，底板索N5，N5'，N6，N6'為單端張拉索，不宜去掉。因此方案2是在三線梁鋼索的布置基礎(chǔ)上去掉兩根N4鋼索。對比結(jié)果，方案1強度安全系數(shù)過高，鋼索利用率不高;混凝土上緣壓應(yīng)力過小，沒有充分的利用混凝土抗壓能力好的優(yōu)點，徐變拱度較方案2大;方案2比方案1少用了1．05 t鋼索。雖然方案1是直接運用現(xiàn)有的三線梁的成果，體現(xiàn)了事半功倍的效果，并且各項計算結(jié)果指標均在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)，但是鋼索過于的浪費，沒有從工程經(jīng)濟、節(jié)約的角度出發(fā)來進行設(shè)計。

3 結(jié)語

1)通過對輕軌高架簡支箱梁橋計算分析，使結(jié)構(gòu)設(shè)計措施安全可靠、合理可行，可為我國今后同類工程的建設(shè)提供經(jīng)驗和參考。2)按照相關(guān)規(guī)范計算中全面的考慮了荷載的大小和加載位置，包括自重、恒載、活載、離心力、搖擺力、溫度力、脫軌荷載，提高了計算結(jié)果的準確性。箱梁的橫向計算，對截面配筋提供了強有力的檢算。3)由于地鐵及鐵路相關(guān)規(guī)范對板的有效寬度計算沒有規(guī)定等問題，文中多次應(yīng)用到公路橋涵相關(guān)規(guī)范。計算中取每延米截面，如果考慮縱向相鄰截面對取出截面的約束作用，將是橫向計算中一個值得研究和探討的問題。4)縱向計算在滿足使用和技術(shù)要求的前提下，需使結(jié)構(gòu)總價趨于最低。

［1］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)計規(guī)范［S］．

［2］GB 50157-2003，地鐵設(shè)計規(guī)范［S］．

［3］邵旭東．橋梁工程［M］．北京：人民交通出版社，2004．

［4］何黎君．箱梁端隔墻橫向計算初探［J］．鐵道建筑技術(shù)，2008 (sup)：102-104．

［5］程翔云．雙室箱梁頂板的橫向計算研究［J］．中國公路學(xué)報，1996(4)：66-67．

［6］董素東．鐵路連續(xù)箱梁橫向計算分析［J］．鐵道建筑，2012 (3)：1-2．

Calculation analysis on light rail simply-supported box girder

CHEN Yan-yan

(Southwest Survey Design Co．，Ltd，China Railway 4th Institute Group，Kunming 650000，China)

Applying plane frame system，the paper carries out horizontal and vertical calculation of prestressed concrete single-box double-room simply-supported box girder by using finite element calculation program bridge doctor 3．2．0 and BSAS4．22，analyzes the horizontal beam brace cavity，and shows triangle-beam and double-beam cable scheme．Thus，the calculation process and results analysis will have certain guiding meaning for similar bridge design．

light rail transit，simply-supported box girder，prestressed concrete，horizontal calculation，plane frame system

U448．213

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.062

1009-6825(2013)10-0171-04

2013-01-21

陳焰焰(1984-)，男，碩士，助理工程師考慮兩個因素：1)滿足板的構(gòu)造要求，例如，滿足預(yù)應(yīng)力索管道布置構(gòu)造要求;2)受力要求，例如，滿足上述荷載作用下橋面板縱、橫向彎矩要求。過厚的頂、底板會給結(jié)構(gòu)體系自身帶來一些不必要的負擔(dān)，且不具備經(jīng)濟性。箱梁腹板的主要功能是抗剪。就縱向計算來說，端支點區(qū)域附近剪力大，因而腹板較厚，跨中截面腹板較薄。在構(gòu)造上，頂、底板預(yù)應(yīng)力鋼束也比較容易平彎到腹板上錨固，給預(yù)應(yīng)力索的布置帶來便宜，同樣，腹板的厚度也應(yīng)滿足預(yù)應(yīng)力索管道布置構(gòu)造要求。此外，腹板的最小厚度還應(yīng)該考慮普通鋼筋的布置和混凝土施工的振搗要求。腹板數(shù)量的增加可在很大程度上減少橋面板的最大正負彎矩和橫向的穩(wěn)定性，但腹板數(shù)量的盲目增加也會在一定程度上增加結(jié)構(gòu)自重，給結(jié)構(gòu)帶來一定負擔(dān)的同時也會給施工帶來一些不便。