桔柑車站連續(xù)梁橋性能分析

王曉黎

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

鐵路軌道需要線下工程為列車提供高質(zhì)量的平順性,來保證安全、舒適的環(huán)境。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋以其跨度大、剛度大、養(yǎng)護量小得到廣泛的采用。由于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的寬跨比較大,此時箱梁的框架作用有一定的特殊性,因此就必須明確箱梁的應(yīng)力和變形分布,如果橋幅較窄,用平面分析的結(jié)果來設(shè)計誤差不是很大[1]；國內(nèi)外許多大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在運營一定年限后,普遍存在主跨下?lián)?影響到橋梁的使用性能和壽命[2]。多年來國內(nèi)外學者進行了大量研究,從理論和方法不斷完善前進。但沒有對影響因素進行系統(tǒng)對比分析,很少提及從結(jié)構(gòu)形式和計算參數(shù)取值上對橋梁設(shè)計進行優(yōu)化,針對上述問題就結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)力、剪力滯效應(yīng)、有效計算寬度、畸變、翹曲等力學效應(yīng)規(guī)律和混凝土收縮、徐變影響因素進行了分析研究,找出解決問題的結(jié)構(gòu)措施和設(shè)計中考慮因素。

1 橋梁概況

蘭渝鐵路桔柑站特大橋為四線(48+2×80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁,采用懸臂灌注施工。四線曲線梁,線間距(5.1+5+5.1) m,曲線半徑7 000 m。

橋位設(shè)在蘭渝線桔柑車站內(nèi),道岔及渡線均上橋,需要設(shè)置四線橋。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗判斷,四線橋橫向?qū)挾容^大,連續(xù)梁橫向過寬時,橫向扭矩較大,對箱形截面影響較大,為了減少箱梁橫向不利因素,本橋按照兩幅橋分別進行設(shè)置。

梁體采用變高度變截面箱梁,一聯(lián)總長257.5 m。箱梁截面采用單箱單室直腹板,邊支點及跨中梁高為3.8 m,中支點梁高6.4 m,梁底變化段曲線采用二次拋物線。箱梁頂寬為11.2 m,底寬6.50 m。頂板厚為0.36～0.65 m,底板厚0.5～0.85 m,腹板厚0.5～1.0 m。梁體采用C55混凝土。

預(yù)應(yīng)力體系：梁體設(shè)計為縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系,縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用鋼絞線,豎向采用預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。

2 計算模型

結(jié)合桔柑四線(48+2×80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁設(shè)計,對箱梁的相關(guān)問題進行對比計算分析。箱梁的靜力特征與截面形式、橫隔板設(shè)置、約束條件、荷載作用位置和荷載類型等因素有關(guān),是一個復(fù)雜的空間問題。經(jīng)典的薄壁結(jié)構(gòu)力學是通過建立微分方程求解[3],非常繁瑣,且實際邊界條件難以用常規(guī)邊界條件來描述,而平面梁方法難以反映出薄壁箱梁的空間受力特征[3]。在此,采用有限單元法進行分析。連續(xù)梁有限元空間模型見圖1，單元劃分見圖2。

圖1 連續(xù)梁有限元空間模型

圖2 單元劃分示意

3 邊界條件及計算參數(shù)

結(jié)構(gòu)計算中采用MIDAS程序進行箱梁橫向分析。對梁段進行分析時,約束按實際支座布置情況設(shè)置。混凝土強度等級為C55,混凝土和鋼材的彈性模量E分別為：3.6×104MPa, 1.95×105MPa,泊松比r分別為：0.2 和0.3,混凝土剪切模量G=0.43E。

混凝土收縮徐變：環(huán)境條件按野外一般條件計算,相對濕度取70%。徐變系數(shù)終極值2.0,徐變增長速率5.5×10-3,收縮速度系數(shù)6.25×10-3,收縮終極系數(shù)1.6×10-4。

結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)：梁部整體升降溫±20 ℃,頂板升溫按5 ℃考慮。

預(yù)應(yīng)力損失計算：縱橫向預(yù)應(yīng)力損失即錨口及喇叭口損失按錨外控制應(yīng)力的6%計算,管道摩阻系數(shù)取0.23,管道偏差系數(shù)取2.5×10-3。

4 混凝土收縮、徐變對撓度的影響

預(yù)應(yīng)力混凝土主要建材為膠凝材料、骨料及水,隨時間的推移會產(chǎn)生收縮、徐變。混凝土徐變和收縮是與時間有關(guān)的變形特性。相關(guān)研究表明：混凝土收縮在30年以后還存在,徐變一般在5～20年逐漸達到一個極限值,在設(shè)計中是不可忽略的因素[4]。

通過對相對濕度、混凝土齡期、徐變系數(shù)分別取不同的數(shù)值進行對比計算,分析其對長期撓度的影響。將具有代表性跨中等節(jié)點數(shù)據(jù)列入表1中。

表1 各項因素對撓度的影響 mm

從表1中數(shù)據(jù)顯示的趨勢來看,相對濕度、加載齡期、徐變系數(shù)對連續(xù)梁的長期撓度的影響計算分析可以得出：

(1)相對濕度減小,連續(xù)梁的長期撓度會增加,因此設(shè)計必須采用與橋梁所在的環(huán)境對應(yīng)的濕度；

(2)加載齡期越短,長期撓度越大,因此在施工過程中,應(yīng)嚴格限制過早的加載,以降低連續(xù)梁的長期撓度；

(3)徐變系數(shù)越大,連續(xù)梁的長期撓度越大,因此,在連續(xù)梁設(shè)計、施工中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場材料、環(huán)境等采取試驗來確定徐變系數(shù)是很有必要的。

總之,通過對影響收縮、徐變因素的對比計算來看,應(yīng)采取與連續(xù)梁所處環(huán)境、材料相適應(yīng)的各項系數(shù)進行結(jié)構(gòu)計算分析,以減少長期撓度對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

5 箱梁橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)置分析

對各種荷載進行最不利荷載組合,主要考慮橫向預(yù)應(yīng)力和不考慮橫向預(yù)應(yīng)力分別對箱梁橫向進行分析計算,箱梁的彎矩計算結(jié)果匯總見表2。

表2 梁體彎矩 kN·m

由表2對照結(jié)果來看,考慮橫向預(yù)應(yīng)力后,頂板、腹板頂部彎矩均明顯減小。說明設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束,對結(jié)構(gòu)受力有明顯的改善。

通常在設(shè)計中,橫向預(yù)應(yīng)力一般按照50 cm的間距進行設(shè)置,從計算來看,間距可以適當加大,也可以取得良好的效果,同時,還可以減小預(yù)應(yīng)力空間不利效應(yīng)。

綜上所述,由于箱梁頂板受力較大。在箱梁橫向?qū)挾容^大時,適當配置頂板預(yù)應(yīng)力鋼束可優(yōu)化箱梁結(jié)構(gòu)受力作用。

5.1 有效計算寬度的對比

箱梁受力時,由于剪力滯效應(yīng)將導(dǎo)致頂、底板正應(yīng)力分布不均勻,工程中引入“剪力滯系數(shù)”反映剪力滯效應(yīng)的大小,用“板的有效計算寬度”修正計算結(jié)果。剪力滯效應(yīng)不僅與結(jié)構(gòu)形式有關(guān),而且與荷載類型、作用點和大小有關(guān)[7]。

表3為結(jié)構(gòu)典型斷面的頂板剪力滯系數(shù)(λ)和板的計算寬度(B)。

表3 頂板剪力滯系數(shù)和計算寬度

梁在自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載和活載作用下的正應(yīng)力分布見圖3。從圖3可知,在各種荷載作用下,橫向正應(yīng)力和變形沿截面不均勻。總體上,跨中截面的剪力滯效應(yīng)較大,箱梁頂板有明顯的剪力滯效應(yīng)。鐵路橋規(guī)中規(guī)定計算寬度為箱梁全寬(本橋設(shè)計為11.2 m),明顯大于表3中的計算寬度,由此來看按照規(guī)范計算偏于不安全,因此,在結(jié)構(gòu)計算中要合理取值。

圖3 頂板正應(yīng)力

5.2 箱梁橫向翹曲、畸變

圖4 箱梁應(yīng)力

通過對箱梁橫向計算,比較支點和跨中截面應(yīng)力來看(圖4),可以得出,橫向應(yīng)力對稱分布,箱梁在對稱荷載作用下不產(chǎn)生翹曲、畸變效應(yīng)；當作用不對稱荷載時,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),應(yīng)力呈現(xiàn)不對稱性。(在計算中偏載按照活載乘以偏載增大系數(shù)考慮)。

通過腹板增厚、在跨中加設(shè)橫隔板等措施,分析比較降低橫縱向應(yīng)力峰值。

分析比較計算結(jié)果,跨中箱形截面頂、底板應(yīng)力均有不同程度的減少，見表4。

表4 頂、底板應(yīng)力變化情況

綜合各項計算結(jié)果來看,可以得出增加橫隔板的措施對改善箱梁的受力和翹曲、畸變變形更加明顯有利,為此建議在箱梁橫向分析受控制時,可適當增加橫隔板可以有效的改善箱梁結(jié)構(gòu)受力、翹曲變形現(xiàn)象。

6 結(jié)構(gòu)壽命的考慮

我國鐵路橋梁的設(shè)計壽命為100年。由于環(huán)境因素、人為作用以及材料特性,橋梁在服役期間的性能將逐漸退化。

對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),混凝土的收縮徐變將使有效預(yù)加應(yīng)力降低。多種文獻研究表明若不考慮人為因素和環(huán)境因素的影響,隨著時間的推移,由于混凝土收縮徐變的影響,徐變值逐漸增大,應(yīng)力逐漸減小,從前文所述來看30年后結(jié)構(gòu)的收縮徐變基本完成,此時,梁體的位移和應(yīng)力基本穩(wěn)定。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,通常按照1 500 d來考慮收縮徐變對結(jié)構(gòu)的影響。從其影響時間來看,應(yīng)按照結(jié)構(gòu)的耐久性的要求,將長期影響結(jié)構(gòu)撓度的因素在設(shè)計中進行考慮,分別考慮收縮徐變的不同時期因素進行了計算,使結(jié)構(gòu)在30年后收縮徐變基本完成后,連續(xù)梁結(jié)構(gòu)各項控制指標均能夠滿足現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范的要求。以此來保證結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)安全可靠。

7 結(jié)語

(1)相對濕度、加載齡期、徐變系數(shù)等因素對連續(xù)梁的長期撓度影響較大,因此,應(yīng)采取與連續(xù)梁所處環(huán)境、材料相適應(yīng)的系數(shù)進行結(jié)構(gòu)分析,以減少長期撓度對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

(2)受空間效應(yīng)等的影響,箱梁表現(xiàn)出明顯的剪力滯現(xiàn)象。設(shè)計時應(yīng)重視箱梁截面翼緣有效分布寬度的合理取值,確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

(3)增設(shè)橫隔板能顯著增大結(jié)構(gòu)的橫向剛度,達到降低應(yīng)力不均勻的效果。在設(shè)計中,建議在跨度較大,或箱梁橫向?qū)挾容^大時,適當增加橫隔板以改善箱梁結(jié)構(gòu)翹曲、畸變變形現(xiàn)象。

(4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,應(yīng)按照結(jié)構(gòu)的耐久性的要求,將長期影響結(jié)構(gòu)撓度的因素在設(shè)計中進行考慮。以此來保證結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)安全可靠。

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