八百河大橋40m+64m+40m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)槽形梁設(shè)計(jì)

程正林

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，上海市 200433）

1 概述

寧啟鐵路復(fù)線電氣化改造Ⅱ標(biāo)段八百河大橋位于南京市六合區(qū)境內(nèi)。八百河大橋跨越白河，白河為規(guī)劃Ⅴ級(jí)通航河道，兩岸接線受現(xiàn)狀條件限制無法抬高，因此不得不采用建筑高度相對低的大跨度結(jié)構(gòu)橋梁，采用40 m+64 m+40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)槽形梁比常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，接線降低2.4 m。另外，采用槽形梁結(jié)構(gòu)斷面利用率高、能有效降低噪音、防止車輛出軌及傾覆下落等優(yōu)點(diǎn)。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）活載標(biāo)準(zhǔn)：中活載；

（2）設(shè)計(jì)時(shí)速：200 km/h；

（3）正線數(shù)目：雙線；

（4）軌道結(jié)構(gòu)：有渣橋面。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

梁高：中、邊跨跨中梁高4 m，支點(diǎn)點(diǎn)局部位置加厚到4.5 m。

梁寬：槽形梁總寬度11.1 m，底面總寬度為9.8 m，內(nèi)側(cè)凈寬7.5 m。

板厚：道床板厚度為0.6 m，支點(diǎn)處加厚到1.1 m；槽形梁腹板厚度為0.65 m，支點(diǎn)處腹板加厚到0.9 m上翼緣寬度1.8 m；支點(diǎn)，中、邊跨跨中及中跨4分點(diǎn)位置設(shè)計(jì)肋板加勁。槽形梁一般構(gòu)造詳圖1、圖2。

圖1 槽形梁橫斷面（單位：cm）

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

本橋采用三向預(yù)應(yīng)力體系。縱向和橫向預(yù)應(yīng)力采用Ⅱ級(jí)低松弛鋼絞線，產(chǎn)品應(yīng)符合GB/T5224-2003的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，公稱直徑15.2 mm，公稱面積139 mm2，Ep=1.95×105MPa。豎向預(yù)應(yīng)力采用JL25精扎螺紋鋼筋fpk=830 MPa，每道腹板設(shè)置2列。錨具采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14370-93《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》中I類要求的錨具，橫向束交錯(cuò)單側(cè)張拉，采用扁錨。孔道采用塑料波紋管，孔道摩阻系數(shù)0.17，孔道偏差系數(shù)0.001 5。縱向預(yù)應(yīng)力布置見圖3。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 設(shè)計(jì)荷載

（1）恒載

梁體自重：混凝土容重取26 kN/m3；

二期恒載：包括鋼軌、扣件、墊板、道渣、電纜槽、擋渣墻、接觸網(wǎng)等，按有渣橋面考慮。

（2）活載

中活載按規(guī)范進(jìn)行加載，靜力計(jì)算沖擊系數(shù)：1+μ=1+α×6（/30+L），α=4×（1-h）≤2。

（3）混凝土收縮徐變

圖2 槽形梁構(gòu)造圖（半剖面）（單位：cm）

圖3 槽形梁縱向預(yù)應(yīng)力圖（半剖面）

環(huán)境條件按野外一般條件考慮，相對濕度取70%。根據(jù)老化理論計(jì)算混凝土收縮徐變，系數(shù)如下:徐變終極值2.0（混凝土齡期6 d）；徐變增長率0.005 5；收縮速度系數(shù)0.006 25；收縮終極值系數(shù)0.000 16。

（4）結(jié)構(gòu)溫度變化

體系溫度：根據(jù)南京當(dāng)?shù)貧夂颍捎谩?0℃。

梯度溫度：頂板升溫按20℃考慮，α=7按指數(shù)曲線變化。

（5）支座沉降

支座不均勻沉降按1.5 cm。

（6）風(fēng)力

按照《橋規(guī)》第4.4.1條辦理，風(fēng)荷載設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓強(qiáng)度取600 Pa。

（7）橫向搖擺力

取100 kN一個(gè)集中力作用在最不利位置，以水平方向垂直線路作用于鋼軌頂面。

（8）脫軌荷載

按照《橋規(guī)》第4.3.11條規(guī)定辦理。

（9）地震力

按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定計(jì)算。

4.2 平面計(jì)算

采用同濟(jì)大學(xué)編制的“橋梁博士3.10”和西南交通大學(xué)編制的“橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS4.23”分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算荷載包括恒載、活載、支座不均勻沉降、溫度變化、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變等。橋博和BSAS計(jì)算結(jié)果非常接近，橋博計(jì)算結(jié)果如下：

正截面最小應(yīng)力：槽形梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，全橋未出現(xiàn)拉應(yīng)力；

主力組合正截面最大應(yīng)力：σmax=11.22 MPa＜0.5 fc；

主+附組合正截面最大應(yīng)力：σmax=14.05 MPa＜0.55 fc；

斜截面抗裂計(jì)算：主拉應(yīng)力最大值為-1.91 MPa＜0.55 fc。，滿足規(guī)范要求；

靜活載作用下的撓度值：邊跨最大撓度值為2.4 mm

4.3 空間梁板模型計(jì)算

為了摸清結(jié)構(gòu)的剪力滯效應(yīng)，采用TDV RM2006建立空間梁板模型。其中兩端箱梁采用梁單元，道床板用板單元，梁、板單元間采用剛臂連接，預(yù)應(yīng)力鋼束考慮了豎彎、平彎和空間位置，二期恒載直接加載于道床板上。施工階段、恒載及荷載組合與橋博模型相同。

根據(jù)TDV RM2006的計(jì)算結(jié)果，主梁的剪力滯系數(shù)為：中支點(diǎn)處，上緣σmax/σmin=1.28，下緣σmax/σmin=1.18；跨中處，上緣 σmax/σmin=1.12，下緣σmax/σmin=1.06。

槽形梁于支座處剪力滯效應(yīng)比較明顯，其系數(shù)達(dá)1.32；跨中處剪力滯效應(yīng)較弱，與普通梁相差不大。

4.4 空間實(shí)體模型計(jì)算

為進(jìn)一步分析槽形梁受力特點(diǎn)，采用大型通用有限元程序ANSYS10.0建立空間實(shí)體模型，混凝土采用SOLID65單元模擬，預(yù)應(yīng)力采用LINK8模擬，見圖4～圖9。

圖4 跨中截面縱向應(yīng)力圖

圖5 墩頂截面縱向應(yīng)力圖

圖6 跨中截面橫向應(yīng)力圖

圖7 墩頂截面縱向應(yīng)力圖

圖8 跨中截面豎向應(yīng)力圖

圖9 墩頂截面豎向應(yīng)力圖

空間實(shí)體模型計(jì)算主要得到如下結(jié)論：

（1）與梁板模型計(jì)算結(jié)果相比，槽形梁頂縱向正應(yīng)力在跨中、1/4跨部位吻合較好，梁底應(yīng)力誤差小于5%；

（2）在邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)、槽形梁由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生明顯的畸變、翹曲效應(yīng)；

（3）在橫向預(yù)應(yīng)力作用下，道床板頂、底未出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力。僅在中支座倒角部位出現(xiàn)1.5 MPa的拉應(yīng)力，分布范圍較小，且距離表層只有2 cm左右；

（4）槽形梁內(nèi)剪應(yīng)力較小，主拉應(yīng)力小于2 MPa。

4.5 車橋耦合分析

本橋?yàn)槟壳皣鴥?nèi)較大跨度、列車最高行駛速度的槽形梁，因此對列車通行時(shí)的動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)定尤為重要。

目前大多數(shù)車輛-橋梁/軌道耦合振動(dòng)分析中，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的建立沒有完全計(jì)算機(jī)化，車輛的運(yùn)動(dòng)微分方程通常通過解析方法導(dǎo)出，而橋梁/軌道的運(yùn)動(dòng)方程則一般采用有限元方法建立。當(dāng)車輛結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，必須重新推導(dǎo)車輛運(yùn)動(dòng)微分方程。本分析采用車橋耦合振動(dòng)計(jì)算程序VBC2.0不但運(yùn)用有限元方法建立橋梁/軌道模型，而且運(yùn)用有限元方法建立車輛模型，以便于考慮車輛的多樣性和車體的柔性。在有限元模型的基礎(chǔ)上，基于模態(tài)疊加方法形成車輛子系統(tǒng)和橋梁/軌道子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，并采用擬力法將非線性內(nèi)力處理為虛擬力以實(shí)現(xiàn)模態(tài)解耦。

主梁采用實(shí)體單元模擬，各段梁體間用接觸單元連接，橋墩采用梁單元模擬，墩頂建立剛臂單元與支座位置梁底采用耦合自由度方法連接，承臺(tái)底面基礎(chǔ)剛度采用6個(gè)方向的彈簧單元模擬，彈簧的勁度系數(shù)按m法計(jì)算。計(jì)算中共對五種列車編組（C62編組、K6新型貨車編組、準(zhǔn)高速客車編組、中華之星編組、先鋒號(hào)編組）進(jìn)行了車橋耦合分析。

車橋耦合分析主要得到如下結(jié)論：

（1）橋梁的豎向撓跨比、水平撓度、豎向轉(zhuǎn)角、水平轉(zhuǎn)角均小于規(guī)范限值；

（2）當(dāng)C62貨車編組列車以車速50～80 km/h，K6新型貨車編組以車速80～120 km/h，準(zhǔn)高速客車編組以車速80～240 km/h，中華之星編組以車速160～240 km/h，先鋒號(hào)編組以車速160～240 km/h通過橋梁時(shí)，所有工況下輪種減載率、脫軌系數(shù)和Spring指標(biāo)均滿足要求，行車安全性和平穩(wěn)性滿足要求；

（3）客車、貨車在設(shè)計(jì)車速范圍內(nèi)運(yùn)營時(shí)，沒有產(chǎn)生共振現(xiàn)象；

（4）梁體基頻、橋梁振動(dòng)豎向加速度、橫向加速度和跨中振幅均小于規(guī)范限值，橋梁動(dòng)力響應(yīng)滿足要求。

5 結(jié)語

八百河大橋預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁，是目前國內(nèi)同類結(jié)構(gòu)中跨度較大，列車行車速度較快的橋梁。通過本橋設(shè)計(jì)得出如下結(jié)論：

（1）通過空間分析可以看出，槽形梁道床板及腹板的縱向應(yīng)力分布比較均勻，采用平面桿系的結(jié)果較為可信；

（2）在道床板縱向，邊支點(diǎn)端頭，出現(xiàn)了較小的拉應(yīng)力，這是由于槽形梁扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的翹曲應(yīng)力所致。這可通過在邊橫梁端部設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力解決；

（3）車橋耦合作用下，墩頂橫向振幅較大，接近規(guī)范限制。結(jié)果顯示初擬橋墩尺寸僅考慮靜力荷載，按鐵路規(guī)范線剛度控制稍顯不足。

[1] TB10002.1-2005,鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[2] TB10002.3-2005,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(jì)規(guī)范[S].

[3] 徐華強(qiáng),陳學(xué)強(qiáng),吳定俊,等.新建寧啟線八百河大橋動(dòng)力性能分析報(bào)告[D].上海:林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司,同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系,2009.

[4] 胡匡璋,汪新元,陸光聞.槽形梁[M].北京:中國鐵道出版社,1987.

[5] 陳文艷,顧民杰.軌道交通雙線槽形梁的研究[J].地鐵與輕軌,2003(2):15-18.