無砟軌道單線預應力混凝土斜腿剛構橋結構分析

張金芝

1 概述

孤山大橋為兩座單線、無砟橋梁，橋高約55 m，左右線距離35 m。橋梁位于直線上，縱坡i=13.4‰。設計速度為客運250 km/h，貨運120 km/h。橋梁橋式采用(42.5+60+42.5)m的兩座單線、無砟預應力混凝土斜腿剛構橋。為確保橋上軌道的高平順性和高穩定性，以及列車運行的安全性、舒適性，要求橋梁剛度大，變形小。全橋立面布置見圖1。采用斜腿先進行豎向施工、而后轉體，依靠背索平衡進行懸臂澆筑的施工工藝，這樣既最大限度的降低了施工對314省道的正常通行的影響，也避免了在大峽谷上搭設大跨度施工輔助支架的施工風險。

圖1 全橋立面布置(單位:cm)

梁部采用單箱單室預應力混凝土結構，邊跨端部梁高3.0 m，中跨跨中梁高3.4 m，剛結處梁高4.65 m。梁高變化采用二次拋物線變化。頂板寬8.4 m，厚0.30 m;底板寬3.8 m，厚0.25～0.65 m;一般段腹板厚0.5 m，中支點處厚0.70 m。梁部橫斷面見圖2～圖4。

圖2 中跨中梁部截面(單位:cm)

圖3 邊跨端部梁部截面(單位:cm)

圖4 剛結處梁部截面(單位:cm)

斜腿采用鋼筋混凝土結構，上部與梁部剛結、下部采用鉸接形式與基礎聯接。斜腿采用箱形截面，縱橋向由5.7 m變化至3.0 m;橫橋向底部2.0 m范圍寬6.6 m，自底部往上6.0 m以上橫橋向3.8 m，中間4.0 m范圍寬度線性變化。斜腿立面見圖5。

2 施工過程結構分析計算

2.1 有限元模型的建立

采用有限元程序Midas/civil對施工全過程進行結構建模計算分析，計算模型見圖6。

2.2 施工階段劃分

根據斜腿剛構橋實際施工過程，進行全橋計算分析時共劃分了36個施工階段，主要施工步驟見圖7。

2.3 撓度計算

根據全橋計算結果，得出各階段撓度曲線見圖8。

圖5 斜腿截面(單位:cm)

圖6 空間計算模型示意

2.4 應力計算

如圖9所示，截面1為斜腿與主梁固結處截面，截面2為斜腿跨中截面，截面3為邊跨跨中截面，截面4為中跨1/4截面，截面5為中跨跨中截面。選取成橋前后幾個工況，給出這5個典型截面的應力，計算結果見表2。

圖7 主要施工步驟

圖8 全橋各階段撓度曲線

表2 應力計算結果MPa

圖9 應力計算截面示意

計算結果表明，最大施工過程中主梁截面全截面受壓，斜腿截面最大應力為4.5 MPa，滿足受力要求。

3 運營階段結構分析計算

3.1 有限元模型的建立

在前述施工階段模型的基礎上增加運營階段計算分析，運營階段荷載組合為主力組合、主力+附加力組合，取最不利組合。

3.2 主要計算結果

主力作用下梁部內力及應力見圖10～圖13，梁部截面上翼緣最大壓應力為10.3 MPa，最小壓應力為1.94 MPa，下翼緣最大壓應力為15.69 MPa，最小壓應力為1.87 MPa。

主力+附加力作用下梁部內力及應力見圖14～圖17，梁部截面上翼緣最大壓應力為11.89 MPa，最小壓應力為1.42 MPa，下翼緣最大壓應力為16.45 MPa，最小壓應力為0.86 MPa。

強度計算結果見表3。

表3 強度計算結果

圖10 彎矩包絡圖

圖11 剪力包絡圖

圖12 上緣應力包絡圖

圖13 下緣應力包絡圖

圖14 彎矩包絡圖

圖15 剪力包絡圖

圖16 上緣應力包絡圖

圖17 下緣應力包絡圖

剛度計算結果見表4。

表4 剛度計算結果

4 結束語

90 m預應力混凝土斜腿剛構體系為國內客運專線橋梁建設中首次采用，通過對斜腿剛構施工過程及運營階段的受力分析，可見斜腿剛構橋式上部結構的受力行為介于連續剛構橋式和拱橋之間，既有墩梁固接的效應也有成拱的受力特點，傳力途徑明確、簡潔，具有良好的動靜載受力性能，結構剛度好，能夠滿足鋪設無砟軌道的技術條件要求和客運專線高速行車安全性和舒適性要求，具有較大的跨越能力，斜腿與基礎采用鉸接的方式較好地實現了永臨結合。

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