陳 琳，袁劍閣，裴 偉，李 航，任 博

(中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430061)

0 引言

U箱組合梁是繼預(yù)制節(jié)段梁之后的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式，其同時(shí)具有U形梁和箱形梁的優(yōu)點(diǎn)，抗扭強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)外形美觀，結(jié)構(gòu)上部腹板與附屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合，方便施工及日后養(yǎng)護(hù)維修，總體適應(yīng)性更強(qiáng)。近年來，U箱組合梁結(jié)構(gòu)受到國(guó)內(nèi)、外專家的關(guān)注。馬忠政[1]研究了節(jié)段拼裝式雙U形-箱形截面連續(xù)梁橋的靜力特性，得到U形梁截面應(yīng)變沿梁高近似呈線性變化和應(yīng)力橫向分布的規(guī)律。王連廣等[2]基于能量原理，考慮彎矩耦合和滑移效應(yīng)的影響，得到組合梁在不同剪滯翹曲位移下的應(yīng)變變化規(guī)律及各參數(shù)對(duì)曲線組合梁的影響曲線，為解決曲線組合梁剪力滯問題提供了思路。李學(xué)斌等[3]通過研究預(yù)制混凝土節(jié)段梁接縫面的抗剪承載力，得到平面干接縫增設(shè)剪力鍵可顯著提高接縫的抗剪承載力。孫寧等[4]通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制節(jié)段梁裂縫進(jìn)行檢測(cè)和統(tǒng)計(jì),并對(duì)節(jié)段預(yù)制梁施工不利情況進(jìn)行數(shù)值模擬,提出施工過程節(jié)段預(yù)制梁裂縫防治措施。陳昭暉等[5]通過研究組合箱梁的受力過程、破壞形態(tài)和裂縫開展情況，得到組合梁在彈性變形、裂縫開展和結(jié)構(gòu)破壞受力階段的受力特性。翁方文等[6]以泉州灣跨海大橋連續(xù)梁為背景,研究大跨度不對(duì)稱連續(xù)梁的受力特征，得到主梁施工階段應(yīng)力狀態(tài)，為安全施工和提高施工效率提供了指導(dǎo)。有關(guān)節(jié)段梁結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)的研究較多[7-13]，但針對(duì)變截面U箱組合梁施工過程中的力學(xué)特性和施工工藝的研究相對(duì)較少?；谏鲜霰尘?，本文以天津市濱海新區(qū)軌道交通Z4線為例，針對(duì)U箱組合梁結(jié)構(gòu)受力性能開展研究。

1 U箱組合梁的綜合性能及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 綜合性能

U箱組合梁可顯著改善結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩段受力性能，使結(jié)構(gòu)高度降低，提升空間利用率。同時(shí)，組合梁結(jié)構(gòu)抗扭、抗彎能力強(qiáng)，可在減小道床板厚度的同時(shí)無須配置橫向預(yù)應(yīng)力筋也能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力要求。U形梁兩側(cè)邊腹板均可提供隔聲板和防撞墻等功能。全橋梁高不僅按曲線變化，且組合梁橋中跨及中跨附近截面設(shè)為開口截面，為軌道調(diào)高提供可能性的同時(shí)也大幅度降低了梁高，更好地滿足了城市橋梁景觀設(shè)計(jì)。上部U形梁腹板可將受力構(gòu)件與附屬構(gòu)件完美地結(jié)合為一體，減少橋梁安裝施工工序，便于橋梁后期維護(hù)。另外，U箱組合梁利用下部箱形梁腹板支承軌道及列車，從而降低軌道標(biāo)高和橋梁整體高度，該結(jié)構(gòu)也具備U形梁的優(yōu)點(diǎn)，可在腹板內(nèi)側(cè)布置通信、電力等設(shè)備，將截面空間充分利用起來；不僅能降低車輛運(yùn)行高度、減小噪聲污染，也能將承載、運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)等功能有機(jī)結(jié)合在一起，是一種新型結(jié)構(gòu)形式。

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

變截面U箱組合梁為上U下箱的組合截面，上部U形梁邊腹板為斜腹板，中腹板為直腹板構(gòu)造，下部箱形梁為單箱雙室梁，U形梁中腹板與箱形梁中腹板對(duì)齊貫通設(shè)置。箱形梁的2道邊腹板與2條線路中心線位置對(duì)齊。通過計(jì)算可知，中腹板承受截面少許的剪力，大部分剪力由箱形梁邊腹板承受。U形梁3道腹板的布置方式有利于底板的橫向受力，不僅能減小底板厚度，且無須在底板中配置橫向預(yù)應(yīng)力也能使其強(qiáng)度和應(yīng)力指標(biāo)滿足要求，從而滿足施工及受力條件。此外，主要受力截面的強(qiáng)度及應(yīng)力指標(biāo)也有所提高。其箱形梁邊腹板采用斜腹板結(jié)構(gòu)，使整個(gè)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度、薄壁、輕型化、橫向受力等性能更加突出。

2 變截面U箱組合節(jié)段梁結(jié)構(gòu)受力性能研究

2.1 工程概況

2.1.1結(jié)構(gòu)概況

濱海新區(qū)軌道交通Z4線北塘站—中心生態(tài)城站為(30+50+30)m 3跨連續(xù)梁橋，采用變截面U箱組合截面，其中，0～2號(hào)塊為變截面U箱組合梁段，0號(hào)塊為現(xiàn)澆塊，1，2號(hào)塊為預(yù)制塊；3～6號(hào)塊為預(yù)制U形梁段。橋梁全長(zhǎng)110m，負(fù)彎矩由中墩附近的U形梁梁段底部箱形結(jié)構(gòu)承受。本橋梁高按1.8次拋物線變化，中墩處梁高4.89m，跨中(邊跨)處梁高2.49m；橋?qū)捬鼐€路方向從26.37m線性變至20.20m；道板厚0.44m。梁邊腹板為斜腹板，9號(hào)塊處斜腹板厚度由0.26m過渡到0.4m，0～6號(hào)塊處斜腹板厚0.4m，中腹板厚0.8m。橋梁結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置(單位：cm)

2.1.2靜力學(xué)計(jì)算參數(shù)

1)結(jié)構(gòu)自重 主梁采用C55混凝土，重度按26kN/m3考慮。

2)雙線二期恒荷載 包括承軌臺(tái)式道床、強(qiáng)弱電支架及電纜、聲屏障、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)、橋面系、緊急疏散平臺(tái)欄桿及橡膠墊塊等，取64kN/m。接觸網(wǎng)支柱以集中力加載于1/4跨位置，一般柱底最大垂直荷載為10kN，垂直線路方向的最大彎矩為100kN·m，最大水平力為20kN；下錨柱底最大垂直荷載為20kN,垂直線路方向的最大彎矩為80kN·m，最大水平力為20kN。

3)預(yù)應(yīng)力 對(duì)后張預(yù)應(yīng)力鋼束施加張拉控制應(yīng)力，取1 265MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁間的摩擦系數(shù)μ為0.17，管道偏差系數(shù)k為0.001 5，錨頭變形、鋼筋回縮6mm。

4)活荷載 列車豎向動(dòng)力作用按GB/T 51234—2017《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.2.4條計(jì)算。其雙線U形梁橋道板的動(dòng)力系數(shù)宜取0.3。

5)附加力 ①制動(dòng)力或牽引力 按列車豎向靜活荷載的15%計(jì)算，當(dāng)與離心力同時(shí)計(jì)算時(shí)，可按豎向靜活荷載的10%計(jì)算。②溫度荷載 整體升溫至35℃、整體均勻降溫;溫度梯度升溫則按U形梁頂升溫8℃,箱頂升溫14℃計(jì)算，溫度梯度降溫按升溫的0.5倍考慮。

2.2 有限元模型建立與分析

2.2.1建模原則與假設(shè)

1)盡量反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)構(gòu)造，如實(shí)反映結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和尺寸變化，如斜腹板厚度、腹板弧度等。

2)應(yīng)嚴(yán)格按節(jié)段梁實(shí)際約束條件(如受約束位置、受約束區(qū)域大小、約束方向等)設(shè)置邊界條件。

3)材料及結(jié)構(gòu)滿足線彈性假設(shè)。

4)對(duì)于節(jié)段梁結(jié)構(gòu)的模擬，按整體計(jì)算，不考慮拼裝及接頭的剛度和普通鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

5)考慮計(jì)算過程較復(fù)雜，模型縱向距離較大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮對(duì)節(jié)段梁影響較大的荷載因素，如自重、雙線二期恒荷載等荷載。

U箱組合梁橋模型如圖2所示。

圖2 U箱組合梁橋模型

2.2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

U箱組合節(jié)段梁橋在主力作用下各截面最大撓度變形曲線如圖3所示。由圖3可知，節(jié)段梁橋的最大變形主要發(fā)生在中跨附近，值為15.25mm。截面變形向梁段兩邊逐漸衰減，在邊跨附近變形較小且均勻，值為1.75～3.51mm。

圖3 節(jié)段梁各截面最大撓度變形曲線

中跨及預(yù)制2號(hào)塊截面變形如圖4所示。對(duì)于U箱組合梁截面而言，變形主要集中在U形梁邊腹板上，且變化較小，箱形結(jié)構(gòu)部分的變形更小，值為0～1.69mm。節(jié)段梁撓度變形均滿足節(jié)段梁豎向撓度的容許值L/1 500(L為橋梁跨度)。

圖4 中跨及預(yù)制2號(hào)塊截面變形(單位：mm)

梁體在自重、二期恒荷載、靜活荷載等條件下主要承受壓應(yīng)力。邊支座、中跨及預(yù)制2號(hào)塊截面主應(yīng)力如圖5所示。由圖5a可知，邊支座處U形梁截面最大主應(yīng)力位于梁頂位置，值為10.38MPa；最小主應(yīng)力發(fā)生在梁道板底，值為-1.76MPa。由圖5b可知，中跨處U形梁截面應(yīng)力最大值分布于梁道板底部，值為3.63MPa。由圖5c可知，預(yù)制2號(hào)塊及其附近的U箱組合梁截面最大主應(yīng)力主要分布于邊腹板與梁道板連接處和梁頂位置，同時(shí)因U箱組合梁截面橫向發(fā)生變形，導(dǎo)致截面些許部位應(yīng)力不等，是由于計(jì)算模型中簡(jiǎn)化了預(yù)應(yīng)力荷載施加方式，使U箱組合梁截面中U形梁與箱形梁連接處附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，但很快向周圍混凝土衰減，符合應(yīng)力變化規(guī)律。

圖5 邊支座、中跨及預(yù)制2號(hào)塊截面主應(yīng)力(單位：MPa)

剪切應(yīng)力也是衡量梁橋結(jié)構(gòu)性能的基本參數(shù)之一。普通箱形梁通常在支座處附近通過增加腹板厚度滿足結(jié)構(gòu)的抗剪切能力，變截面U箱組合梁則通過設(shè)置箱室腹板來承受結(jié)構(gòu)大部分剪切應(yīng)力。節(jié)段梁在自重、二期恒荷載、靜活荷載等作用下，中跨及預(yù)制2號(hào)塊截面剪切應(yīng)力如圖6所示。

圖6 中跨及預(yù)制2號(hào)塊截面剪切應(yīng)力(單位：MPa)

由圖6可知，中跨截面剪切應(yīng)力為0.009～3.990MPa，該截面最大剪切應(yīng)力發(fā)生在梁頂處，最小剪切應(yīng)力發(fā)生在梁道板底處。U箱組合梁2號(hào)截面的剪切應(yīng)力主要發(fā)生在腹板連接處，由此可知截面剪力主要由箱形結(jié)構(gòu)的邊腹板和中腹板承受，所承受的剪力為截面剪力的90%以上，這與常規(guī)箱形截面的剪力分布特性一致。同時(shí)，0號(hào)塊梁頂附近截面剪切應(yīng)力為1.33～5.98MPa，結(jié)果符合《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中第7.2.3條梁橋截面剪應(yīng)力規(guī)定。

3 施工過程受力分析

3.1 施工過程

天津軌道交通Z4線(30+50+30)m梁橋施工共分為14個(gè)階段：①第1階段 支?，F(xiàn)澆0號(hào)塊梁段；②第2階段 采用起重機(jī)對(duì)稱安裝第1節(jié)段；③第3階段 與0號(hào)塊濕接20cm濕接縫；④第4階段 張拉預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉；⑤第5～9階段 分別對(duì)稱拼裝第1～6節(jié)段，每安裝一個(gè)節(jié)段，張拉對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力束；⑥第10節(jié)段 激活9號(hào)塊支架現(xiàn)澆節(jié)段梁；⑦第11階段 現(xiàn)澆20cm濕接縫進(jìn)行邊跨合龍；⑧第12階段 預(yù)應(yīng)力束張拉；⑨第13階段 現(xiàn)澆20cm濕接縫進(jìn)行中跨合龍；⑩第14階段 拆除臨時(shí)支座，激活永久支座，施加二期荷載。在施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的邊界條件會(huì)因結(jié)構(gòu)體系的變化而變化。邊跨合龍前，橋梁結(jié)構(gòu)為最大懸臂結(jié)構(gòu)，合龍后則為懸臂簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，中跨合龍后，橋梁結(jié)構(gòu)變成連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)。邊跨合龍前，臨時(shí)固定6號(hào)塊；中跨合龍后，解除臨時(shí)固定，進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，邊墩和中墩均轉(zhuǎn)為永久固定支座。

3.2 建立施工過程有限元模型

利用有限元軟件ANSYS建立三維精細(xì)化模型。梁?jiǎn)卧碪箱組合梁截面變化情況進(jìn)行模擬，U箱組合梁橋材料為C55混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束采用公徑直徑15.2mm、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860MPa、彈性模量為195 000MPa的鋼絞線。汽車荷載為城市-A級(jí)，接縫處的環(huán)氧樹脂膠則通過建立微小單元并賦予其材料特性進(jìn)行模擬。全橋有限元模型如圖7所示。

圖7 全橋有限元模型

3.3 施工階段力學(xué)特性分析

根據(jù)天津軌道交通Z4線施工方案，選取邊跨合龍和中跨合龍節(jié)段施工工況分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，施工過程中考慮的荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、雙線二期恒荷載、施工臨時(shí)荷載、預(yù)應(yīng)力等。

3.3.1變形分析

對(duì)節(jié)段梁最大懸臂階段位移進(jìn)行分析。根據(jù) TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，懸臂構(gòu)件最大撓度限值為I/250(I為主梁跨徑)。在最大懸臂階段，節(jié)段梁懸臂端部的最大位移為15.9mm，符合要求。中跨合龍和邊跨合龍完成后結(jié)構(gòu)撓度曲線如圖8所示。

由圖8可知，邊跨合龍后節(jié)段梁邊跨處、中跨處最大撓度位于4，6號(hào)塊，其值分別為9.7，14.70mm，中跨合龍施工后橋梁撓度下降，邊跨最大撓度位于4號(hào)塊，值為7.13mm，中跨部分引起向下的最大撓度位于6號(hào)塊，值為12.84mm，均不超過L/2 000(L為橋梁跨徑，邊跨30m，中跨50m)。計(jì)算結(jié)果表明，合龍后結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換對(duì)U箱組合梁橋結(jié)構(gòu)的撓度有較大影響；合龍后結(jié)構(gòu)豎向撓度較合龍前均有所減小，主要因?yàn)楹淆埡蠼Y(jié)構(gòu)由懸臂狀態(tài)變?yōu)橹锌绾瓦吙缇嬖诩s束的狀態(tài)。中跨合龍和邊跨合龍施工階段，節(jié)段梁撓度變化趨勢(shì)相似，其中，拼裝邊跨4號(hào)塊至中跨6號(hào)塊階段的撓度值變化趨勢(shì)基本一致。

3.3.2應(yīng)力分析

中跨合龍和邊跨合龍完成后梁體應(yīng)力如圖9所示。由圖9可知，梁段邊跨合龍后，其最大應(yīng)力為 6.19MPa，最小應(yīng)力為-4.22MPa，應(yīng)力較小，強(qiáng)度滿足要求。在最大懸臂階段，節(jié)段梁橋最大應(yīng)力為29.2MPa，滿足施工階段強(qiáng)度要求。梁段中跨合龍后，節(jié)段梁最大應(yīng)力為6.06MPa，滿足施工強(qiáng)度要求。

圖9 中跨合龍和邊跨合龍完成后梁體應(yīng)力

4 結(jié)語

1)U箱組合梁具有強(qiáng)度高、質(zhì)量小、線形優(yōu)美、占地少、工期短及能在空間狹小的繁華地段快速建成通車等優(yōu)勢(shì)。將下部箱形梁腹板用來支承軌道及列車降低軌道高程，并在滿足城市軌道交通橋梁凈空構(gòu)造的前提下使橋梁及車站的高度降低1.5～2m，結(jié)構(gòu)外輪廓為流線型較美觀，腹板內(nèi)側(cè)可根據(jù)需求布置各類通信、電力等設(shè)備，同時(shí)還能防止車輛脫軌。該梁形有效解決了跨平交路口連續(xù)梁形式與全線簡(jiǎn)支U形梁在景觀形式上協(xié)調(diào)統(tǒng)一的問題。

2)對(duì)變截面U箱組合梁橋結(jié)構(gòu)施加荷載組合工況，分析節(jié)段梁結(jié)構(gòu)受力情況，結(jié)果顯示該變截面U箱組合梁橋變形呈整體下?lián)?，中跨局部梁道板面下凹變形，結(jié)構(gòu)應(yīng)變和腹板應(yīng)力均小于規(guī)范容許值，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3)以天津市濱海新區(qū)軌道交通Z4線為例進(jìn)行施工階段精細(xì)化建模分析，結(jié)構(gòu)及主要構(gòu)件應(yīng)力、變形均滿足規(guī)范要求。