中跨度軌道交通預應力混凝土連續梁設計

閆駿霞　叢方杰

摘 要：某輕軌工程一聯37.5+50+37.5米預應力混凝土連續箱梁在施工設計時因橋下限界影響，在確定難以改變線路縱斷的情況下，采用取消中墩蓋梁、中墩改用單支點支承的方案以滿足限界要求。針對中墩單支點支承方案邊支點存在的支座脫空問題，通過對一個中墩墩梁固結、支點增加配重混凝土和支點施加強迫位移三個方案的計算比選，確定采用墩梁固結方案，較好的解決了此預應力連續梁橋的支座脫空問題。針對中墩單支點支承產生的較大扭矩，按照英國BS5400規范對主要截面抗扭強度進行了驗算。在橫隔梁計算中，針對現行橋梁規范缺少橫隔梁受力分析論述的問題，根據實際經驗提出了合理的橫隔梁受力分析原則；并對橫隔梁進行實體單元建模，根據計算結果分析構件應力分布狀態，對單支點橫隔梁的強度計算方法提出了合理的建議。

關鍵詞：連續梁；墩梁固結；抗扭；橫隔梁

1 概述

某輕軌線一聯雙線三跨預應力混凝土連續箱梁，線間距由5米漸變為3.8米，梁寬由13.38米漸變為標準段9.58米，橫截面為單箱室，橋梁跨度為37.5+50+37.5米。本橋為變高度梁，即邊支點處梁高為2米，中支點處梁高為3.2米，梁底高度按二次拋物線變化；上下部連接方式為墩梁分離，為避免主梁傾覆，各墩位處均采用雙支座支撐；全梁不僅在腹板處布置了縱向通長預應力束，并在中墩頂板處布置了縱向頂板束。（如圖1所示）

但是在項目后期，由于該橋下方道路調整，中墩橋墩蓋梁侵入行車道限界，需對設計做出調整。調整方案一為改變該段線路標高，使中墩處線路上抬1.2m，受其影響，該段下部橋墩需要重新考慮墩高變化的影響。由于其影響范圍較大，不推薦采用該方案。方案二為取消中墩橋墩上部蓋梁，中墩采用單支座支撐，從而避免了上部蓋梁的侵限問題，并最大程度的減小了對工程量的影響。

將中墩調整為單支座支撐后，經過計算發現，由于全橋扭矩均由兩邊支點承受，當橫向風力和單車道列車荷載共同作用時，在主力+附加力工況下中墩支點出現了支座脫空現象，負反力大小為336kN。因此，必須采取措施消除負反力。另外，中墩調整為單支座支撐后還增大了梁截面扭矩，并對中橫隔梁的受力情況產生影響。以下主要介紹對這三個方面的設計，進行計算。

2 方案比選

為解決支座脫空問題，對以下三個方案進行了比較：

（1）一中墩橋墩為單點支撐，另一中墩與梁固結。全橋按照桿系單元建立模型，共建立了129個單元，130個節點。其中下部結構僅建立墩梁固結處的橋墩及樁基礎的模型，其余部分只需在支點處建立一般支承即可。橋墩按實際尺寸建立，共劃分了7個單元，8個節點，通過與主梁的剛性連接模擬固結。對群樁基礎按照承臺頂面的三種力（軸力N、水平剪力Q和彎矩M），等代為兩側立柱底端均固結、頂端橫梁剛度無窮大的門形剛架模型。

通過以上方法建立墩梁固結模型，計算后發現，原產生負反力的支座在同種工況下反力為603.8kN，且為最小正反力，支座脫空問題得到較好解決。同時由于只有一個墩與主梁固結，對主梁縱向受力未產生大的影響。

（2）兩個中墩均為單點支撐，邊支點附近邊跨增加配重以抵消邊墩支座可能產生的負反力，配重材料為鋼渣混凝土，澆筑在箱室內。采用與方案一同樣的方法建立上部結構模型，支點處設置一般支承，在F25墩附近10.75米的范圍內施加分布豎向荷載模擬配重，總配重量為1408kN，即39方鋼渣混凝土。經計算，最小支座反力為908.6kN，未出現支座脫空現象。

（3）兩中墩支點均為單點支撐，兩邊墩支點施加向上的強迫位移。建模方法同上，強迫位移通過在支點處施加節點強制位移實現，在中墩支點處施加250mm向下的強制位移，同時在邊墩支點處施加250mm向上的強制位移。經計算，最小支座反力為464.4kN，未出現支座脫空現象。

通過計算比較，三種方案均可抵消邊墩支座負反力，而方案一不需要調整預應力束，且更加便于施工；方案二所用鋼渣混凝土較多，澆筑在邊支點附近箱室內，影響箱梁后期維護，且不利于支座附近箱梁底板受力；而方案三采用強迫位移，通過千斤頂在支點處頂升實現，但工藝復雜，容易產生較大誤差，且影響了主梁應力分布，需要增加連續梁的鋼絞線用量，并需調整鋼絞線線型。

因此，本聯連續梁最終的梁外形、兩邊墩支座方案同原設計，一中墩處改用單支撐，另一中墩處改用墩梁固結形式，對應處橫隔梁修改；中墩墩取消頂部蓋梁，重新核算橋墩受力配筋，并對墩梁固結處重新配筋。

3 抗扭計算

一個中墩調整為單支座支撐后，由單線列車荷載和橫向風力產生的扭矩增加較大，扭矩分布如圖2所示。

因此有必要對主梁進行抗扭驗算。由于鐵路橋規中沒有關于構件抗扭的計算，采用英國BS5400規范進行計算。計算時應注意，抗扭鋼筋應由矩形的有效閉合箍筋連同縱向鋼筋組成，但這些鋼筋首先應用于抗彎和抗剪，富余部分才可用于抗扭。

另外，布置縱筋以滿足扭轉應力時，可計及橫截面中同時承受彎曲壓應力的鋼筋面積以減少鋼筋用量。受壓區減少的鋼筋量可取為：

本橋對兩邊支點變截面、墩梁固結處截面進行了計算，結果如表1所示。

由表1可知，各截面均需布置抗扭鋼筋，按實際配筋量減去所需抗扭鋼筋后，對截面進行抗彎和抗剪驗算，均可滿足規范要求。

4 單支點橫隔梁計算

4.1 計算方法

現有的橋梁結構工程教材及設計規范，對橫隔梁的受力分析都沒有涉及。有限元法從理論上說是可以解決這個問題的，但在具體設計中卻不具有實用性。因此本次設計根據以往經驗，采用較為簡易的計算方法考慮支座截面橫隔梁受力分析。

單箱單室截面的橫隔梁的受力分析按如下原則進行：（1）沿梁跨方向的橫隔梁外荷載主要通過腹板剪力傳遞；（2）對于結構對稱、荷載對稱的情況，同一截面處兩個腹板剪力相等；（3）腹板傳遞剪力大小可通過桿系單元建模得出，橫隔梁范圍內的荷載可按實際位置計算。按照以上原則，就可大大簡化橫隔梁計算模型。

4.2 強度計算

固結中墩處橫隔梁為單支點，橫隔梁厚為2米，截面具體尺寸如圖3所示。根據以上計算方法，腹板傳遞的力在支點附近截面將產生較大彎矩及剪力。以往設計中對此類情況多在橫隔梁中布置橫向預應力束，但該橫隔梁寬度較小，最大處僅為6.5米，如施加預應力將產生較大的預應力損失，且易與縱向預應力束沖突。因此，該橫隔梁按照普通鋼筋混凝土構件設計，為保證安全，在不影響施工的前提下取消該橫隔梁上入孔。

該橫隔梁尺寸符合公路規范中規定的深梁的特點，但為單支點，缺乏相關的理論依據。因此本次設計通過實體模型探討單支點橫隔梁適合的強度理論。

由于是單支點，此處扭矩較小可忽略，腹板傳遞的只有剪力，剪力值可通過平面桿系模型得出該支點左右兩側最大剪力，并均分至左右腹板上，作為壓力荷載均勻的分布在相應實體單元外側面上。通過軟件計算得出橫隔梁的彎曲應力分布情況，積分后畫出彎曲應力圖，如圖4所示。

由于所使用的實體單元為彈性單元，所以所得應力亦為彈性狀態下的應力分布，但已基本表明橫隔梁的正截面應變分布基本符合平截面假設，應力分布接近線性關系，非線性分布不很明顯。因此，該橫隔梁現按照鋼筋混凝土受彎構件進行計算配筋，為偏于安全，可再按照深梁進行核算。

5 結束語

針對某輕軌線三跨連續梁橋施工設計，文章通過方案計算比選，最終確定了墩梁固結方案，較好地解決了前期設計存在的支座脫空問題。

按照新的設計方案，文章根據英國BS5400規范又對截面的抗扭問題進行了驗算，確保了結構的安全；并通過對橫隔梁進行實體建模分析，對單支點受彎構件的強度計算方法提出了合理的建議。

通過本橋設計，對今后的預應力梁設計提供了有益的經驗。

參考文獻

[1]英國標準BS5400.鋼橋、混凝土橋及結合橋（上冊）[S].1986.

[2]延波.城市軌道交通箱梁橫隔梁實用簡化計算[J].都市快軌交通，2007.