35m軌道交通槽形梁設計

蘇 國

1 概述

預應力混凝土槽形梁(簡稱槽形梁)是一種下承式預應力混凝土橋梁結構，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:可以顯著降低結構建筑高度;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

槽形梁屬于一種復雜的空間板梁組合結構，在結構受力上，槽形梁作為一種下承式預應力混凝土結構，具有開口薄壁構件受扭性能差，主梁腹板受力與橋面板連接構造復雜，橋面板彎矩受主梁的扭轉剛度影響較大等特點。目前國內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點時對跨越能力有更高的要求，本文結合具體軌道交通項目，設計研究35m跨徑軌道交通槽形梁，通過大型有限元軟件ANSYS建立實體空間模型，分析槽形梁的受力特性，為設計提供指導依據，并在此基礎上通過桿系模型進行具體的梁體設計計算。

3 主要設計過程

本次槽形梁擬定斷面構造如圖1所示。

3.1 空間有限元分析

1)有限元模型。實體單元模型采用通用有限元軟件ANSYS進行計算，混凝土單元采用Solid45實體單元模擬，預應力鋼絞線采用Link8單元進行模擬，另外利用Surf154單元進行二期面荷載加載。有限元模型如圖2，圖3所示，Solid45實體單元19320個，Link8單元1680個，Surf154單元2520個，全橋共計23520個單元，27804個節點。

2)成橋狀態結果分析。圖4為成橋狀態時梁體的整體變形圖，可以看出薄壁開口構件的變形特征，腹板抗扭性能偏弱，在跨中附近，腹板敞口向兩側擴大的變形，而在梁端附近，腹板頂部有向內側的變形。圖5為成橋階段跨中截面順橋向正應力云圖，跨中為全截面受壓，應力狀態較好。圖6為成橋階段跨中截面橫橋向正應力云圖，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算，橫向跨中承受正彎矩，在腹板位置附近承受負彎矩，由于槽形梁為薄壁開口構件，腹板對底板的嵌固作用較弱，從應力云圖中可以看出，跨中板頂、底面橫向應力較大，而在梁肋處應力并不是很大，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支的簡支板進行設計，而梁肋處的彎矩可以按照規范偏保守設計，本梁底板橫向沒有配置預應力，為保證梁體的耐久性，應嚴格控制底板橫向受力裂縫寬度，上海市軌道交通11號線南段的槽形梁橫向裂縫控制在0.1 mm之內，因此本梁的橫向配筋參考這一標準，裂縫控制在0.1 mm左右，較規范值偏保守。

3.2 平面梁體設計

1)構件類型。

槽形梁屬于一種復雜的空間板梁組合結構，具有較為明顯的空間受力特性，經過三維空間模型分析，可以將設計過程簡化為常規順橋向、橫橋向的平面模型設計，本槽形梁縱向為后張法預應力混凝土構件，按照全預應力混凝土構件設計。橫向為普通鋼筋混凝土構件，按照普通鋼筋混凝土構件設計。采用地鐵A型列車。

結構重要性系數:設計安全等級取一級，相應地，結構重要性系數γ0=1.1;容重:槽形梁混凝土容重為26 kN/m3，計算中不再計入鋼筋及預應力鋼絞線重量;混凝土與普通鋼筋材料:梁體結構采用C55號混凝土，普通鋼筋主要采用HRB335;預應力鋼束:采用高強度低松弛鋼絞線φs15.2(符合GB/T 5224-2003)的預應力鋼絞線，每個張拉端鋼束錨固時彈性回縮合計總變形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;為減少預應力鋼絞線的沿程損失σL1，采用較新的預應力施工工藝:a.預埋塑料波紋管;b.真空灌漿系統。此時，管道每延米局部偏差對摩擦的影響系數k取0.0015，預應力鋼筋與管道壁的摩擦系數μ取0.15;約束與變形:對于順橋向計算，根據支座順橋向位置形成簡支約束;對于橫橋向計算，根據主梁中心位置形成簡支約束;一期恒載:即為構件自重，二期恒載:主要為整體道床重量，對于順橋向平面計算，取為14.2 kN/m;對于橫橋向平面計算，取為7.1 kN，集中力作用在距跨中0.75m的兩側節點位置上。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;動力系數:動力系數(1+μ)根據《鐵路基本規范》［3］計算。

2)縱向計算。

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

3)橫橋向計算。

對于橫橋向平面計算，因為列車荷載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，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。此時道床板形成由槽形梁主梁約束的單向板。鐵路規范對于單向板計算并無明確條文說明，采用《公路混凝土規范》第4章Page14～Page15計算荷載分布寬度。取橫向跨徑:

動力系數:

單輪重F=80 kN，鋪裝層厚度h=0.5m，計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為d，經計算比較，道床板在2車輪作用下的最為不利，此時F'=29.096×(1+μ)=39.2 kN/m。按此工況進行橫向配筋設計。

4)槽形梁抗剪扭設計。

由于槽形梁的特點是開口薄壁截面，抵抗扭矩的性能相對較差，需要檢算槽形梁的剪扭承載能力。現有《鐵路混凝土規范》［4］對于截面彎、剪、扭承載能力的計算并無明確規定。本次剪扭檢算參考“公路規范”執行。本橋驗算截面取在順橋向指向跨中距支點1.0m處。

a.截面受扭塑性抵抗矩計算。根據《公路混凝土規范》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公式計算。簡單并偏安全地，主梁分段不考慮截面加勁肋的影響。b.剪力及扭矩計算。根據《鐵路基本規范》第4.4.1條4.4.4-1公式，風荷載強度:W=K1K2K3W0。取風載體型系數K1=1.3，風壓高度變化系數K2=1.00，地形、地理條件系數K3=1.0，基本風壓 W0=800 Pa，得 W=1040 Pa。

剪扭組合時，本橋僅考慮由于橫向風荷載及列車搖擺力產生的扭矩，扭矩計算參照《鐵路通用規范》計算。根據《公路混凝土規范》第5.5.3條規定，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、底板作為純扭構件按第5.5.1條規定計算，而腹板則應作為剪扭構件按第5.5.4條計算。

4 結語

本文通過實際工程中一片35m跨徑槽形梁的實體有限元模型分析，并且詳細敘述了槽形梁計算設計過程，可以得出以下結論:

1)槽形梁具有較為明顯的空間受力特性，經過三維空間模型分析，可以將設計過程簡化為常規順橋向、橫橋向的平面模型設計。2)由于槽形梁為薄壁開口構件，腹板對底板的嵌固作用較弱，根據空間模型分析，建議底板橫向跨中配筋按照兩端簡支的簡支板進行設計，而梁肋處的彎矩可以按照公路規范偏保守設計。3)為保證梁體的耐久性，應嚴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件，受扭性能差，對于梁體抗剪、扭設計尤為重要。

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

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［3］TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設計基本規范［S］.

［4］TB 10002.3-2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.