八百河大橋40m+64m+40m預應力混凝土連續槽形梁設計

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

寧啟鐵路復線電氣化改造Ⅱ標段八百河大橋位于南京市六合區境內。八百河大橋跨越白河，白河為規劃Ⅴ級通航河道，兩岸接線受現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構橋梁，采用40 m+64 m+40 m預應力混凝土連續槽形梁比常規預應力混凝土連續梁結構，接線降低2.4 m。另外，采用槽形梁結構斷面利用率高、能有效降低噪音、防止車輛出軌及傾覆下落等優點。

2 主要技術標準

（1）活載標準：中活載；

（2）設計時速：200 km/h；

（3）正線數目：雙線；

（4）軌道結構：有渣橋面。

3 結構設計

3.1 結構尺寸擬定

梁高：中、邊跨跨中梁高4 m，支點點局部位置加厚到4.5 m。

梁寬：槽形梁總寬度11.1 m，底面總寬度為9.8 m，內側凈寬7.5 m。

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

圖1 槽形梁橫斷面（單位：cm）

3.2 預應力鋼束布置

本橋采用三向預應力體系?？v向和橫向預應力采用Ⅱ級低松弛鋼絞線，產品應符合GB/T5224-2003的標準。標準強度fpk=1 860 MPa，公稱直徑15.2 mm，公稱面積139 mm2，Ep=1.95×105MPa。豎向預應力采用JL25精扎螺紋鋼筋fpk=830 MPa，每道腹板設置2列。錨具采用符合國家標準GB/T14370-93《預應力筋用錨具、夾具和連接器》中I類要求的錨具，橫向束交錯單側張拉，采用扁錨?？椎啦捎盟芰喜y管，孔道摩阻系數0.17，孔道偏差系數0.001 5?？v向預應力布置見圖3。

4 結構分析

4.1 設計荷載

（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、接觸網等，按有渣橋面考慮。

（2）活載

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

（3）混凝土收縮徐變

圖2 槽形梁構造圖（半剖面）（單位：cm）

圖3 槽形梁縱向預應力圖（半剖面）

環境條件按野外一般條件考慮，相對濕度取70%。根據老化理論計算混凝土收縮徐變，系數如下: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0.006 25；收縮終極值系數0.000 16。

（4）結構溫度變化

體系溫度：根據南京當地氣候，采用±20℃。

梯度溫度：頂板升溫按20℃考慮，α=7按指數曲線變化。

（5）支座沉降

支座不均勻沉降按1.5 cm。

（6）風力

按照《橋規》第4.4.1條辦理，風荷載設計基本風壓強度取600 Pa。

（7）橫向搖擺力

取100 kN一個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》第4.3.11條規定辦理。

（9）地震力

按照《鐵路工程抗震設計規范》規定計算。

4.2 平面計算

采用同濟大學編制的“橋梁博士3.10”和西南交通大學編制的“橋梁結構分析系統BSAS4.23”分別進行計算。計算荷載包括恒載、活載、支座不均勻沉降、溫度變化、預應力、混凝土收縮徐變等。橋博和BSAS計算結果非常接近，橋博計算結果如下：

正截面最小應力：槽形梁按全預應力構件設計，全橋未出現拉應力；

主力組合正截面最大應力：σmax=11.22 MPa＜0.5 fc；

主+附組合正截面最大應力：σmax=14.05 MPa＜0.55 fc；

斜截面抗裂計算：主拉應力最大值為-1.91 MPa＜0.55 fc。，滿足規范要求；

靜活載作用下的撓度值：邊跨最大撓度值為2.4 mm

4.3 空間梁板模型計算

為了摸清結構的剪力滯效應，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，預應力鋼束考慮了豎彎、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TDV RM2006的計算結果，主梁的剪力滯系數為：中支點處，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比較明顯，其系數達1.32；跨中處剪力滯效應較弱，與普通梁相差不大。

4.4 空間實體模型計算

為進一步分析槽形梁受力特點，采用大型通用有限元程序ANSYS10.0建立空間實體模型，混凝土采用SOLID65單元模擬，預應力采用LINK8模擬，見圖4～圖9。

圖4 跨中截面縱向應力圖

圖5 墩頂截面縱向應力圖

圖6 跨中截面橫向應力圖

圖7 墩頂截面縱向應力圖

圖8 跨中截面豎向應力圖

圖9 墩頂截面豎向應力圖

空間實體模型計算主要得到如下結論：

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

（2）在邊支點、中支點、槽形梁由于扭轉產生明顯的畸變、翹曲效應；

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

（4）槽形梁內剪應力較小，主拉應力小于2 MPa。

4.5 車橋耦合分析

本橋為目前國內較大跨度、列車最高行駛速度的槽形梁，因此對列車通行時的動力性能進行評定尤為重要。

目前大多數車輛-橋梁/軌道耦合振動分析中，系統運動微分方程的建立沒有完全計算機化，車輛的運動微分方程通常通過解析方法導出，而橋梁/軌道的運動方程則一般采用有限元方法建立。當車輛結構發生改變時，必須重新推導車輛運動微分方程。本分析采用車橋耦合振動計算程序VBC2.0不但運用有限元方法建立橋梁/軌道模型，而且運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上，基于模態疊加方法形成車輛子系統和橋梁/軌道子系統的運動微分方程，并采用擬力法將非線性內力處理為虛擬力以實現模態解耦。

主梁采用實體單元模擬，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，承臺底面基礎剛度采用6個方向的彈簧單元模擬，彈簧的勁度系數按m法計算。計算中共對五種列車編組（C62編組、K6新型貨車編組、準高速客車編組、中華之星編組、先鋒號編組）進行了車橋耦合分析。

車橋耦合分析主要得到如下結論：

（1）橋梁的豎向撓跨比、水平撓度、豎向轉角、水平轉角均小于規范限值；

（2）當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，先鋒號編組以車速160～240 km/h通過橋梁時，所有工況下輪種減載率、脫軌系數和Spring指標均滿足要求，行車安全性和平穩性滿足要求；

（3）客車、貨車在設計車速范圍內運營時，沒有產生共振現象；

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

5 結語

八百河大橋預應力混凝土槽形梁，是目前國內同類結構中跨度較大，列車行車速度較快的橋梁。通過本橋設計得出如下結論：

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

（2）在道床板縱向，邊支點端頭，出現了較小的拉應力，這是由于槽形梁扭轉產生較大的翹曲應力所致。這可通過在邊橫梁端部設置橫向預應力解決；

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

[1] TB10002.1-2005,鐵路橋涵設計基本規范[S].

[2] TB10002.3-2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].

[3] 徐華強,陳學強,吳定俊,等.新建寧啟線八百河大橋動力性能分析報告[D].上海:林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司,同濟大學橋梁工程系,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.