槽形梁在城市橋梁中的應(yīng)用

任秋云

江蘇蘇邑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000

1 槽形梁概述

槽形梁是一種下承式受力結(jié)構(gòu)，斷面形式為U形，主要由主梁、行車道板、橫梁組成，是一種梁、板組合的空間結(jié)構(gòu)，從材料上可分為預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁和鋼結(jié)構(gòu)槽形梁。鋼結(jié)構(gòu)槽形梁更適用于人行景觀橋，相較而言預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁的用途更為廣泛。預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁主要有以下優(yōu)點(diǎn)：橋面結(jié)構(gòu)下沉，明顯降低建筑高度；主梁有一定的隔聲效果；主梁可與防撞護(hù)欄、欄桿等組合設(shè)計(jì)。

混凝土槽形梁是由兩側(cè)主梁和行車道板組成的整體受彎構(gòu)件，活載直接作用于行車道板，再由行車道板將荷載橫向傳至兩側(cè)的縱向主梁，最終由主梁抵抗外荷載及自重引起的彎矩，把整體受彎簡化為主梁單梁受彎，主梁腹板也會受到法向應(yīng)力及剪力、扭矩等共同作用。同時，在荷載作用下，行車道板的受力與混凝土箱梁的橋面板受力相似，在橫橋向和縱橋向均受彎，且與主梁共同抵抗外荷載。槽形梁的縱向設(shè)計(jì)與一般梁橋相似，主要是應(yīng)力、撓度、裂縫的控制；橫向設(shè)計(jì)同樣要控制這幾個因素，但是其作用機(jī)理比較復(fù)雜。

2 工程概況

某城市公園入口處新建一座橋梁，河道上口線寬20m，最高水位為7.5m，橋梁兩端接路標(biāo)高為9m，根據(jù)公園整體景觀效果及洪評要求，橋梁需一跨過河，為了滿足跨河橋梁橋下凈空的規(guī)范要求及泄洪要求，橋梁可實(shí)施的結(jié)構(gòu)高度僅余1.0m，常規(guī)上承式梁橋無法實(shí)現(xiàn)，且考慮橋梁跨徑較小，下承式拱橋和桁架橋也并不適宜，因此采用預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁方案。

3 橋梁整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)橋梁跨徑為一跨23m，上部結(jié)構(gòu)形式為單跨簡支預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁。橋長27.4m，橋梁結(jié)構(gòu)寬度為9.4m，橋面凈寬為7m。擬定槽形梁主梁高2.1m，主梁腹板寬0.5m，上翼緣寬1.2m，槽形梁底板寬8.6m，行車道板中心厚度為0.4m，橋面設(shè)置雙向1.5%的橫坡，底面水平，在支點(diǎn)處主梁腹板加厚至0.65m，行車道板中心厚度加厚至0.6m。橋面鋪裝采用10cm瀝青混凝土+10cm C50混凝土現(xiàn)澆層，支座采用板式橡膠支座。

4 槽形梁受力分析

4.1 主要材料及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

槽形梁采用C50混凝土，鋼筋采用HPB300鋼筋和HRB400鋼筋，每片主梁縱向預(yù)應(yīng)力采用5束12ΦS15.20低松弛高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。荷載等級取城-B級；施工方法采用滿堂支架現(xiàn)澆。橋面鋪裝采用10cm C50混凝土現(xiàn)澆層+10cm瀝青混凝土面層，計(jì)算得橋面鋪裝荷載為34.3kN/m；溫度荷載按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）（以下簡稱《通用規(guī)范》）計(jì)算。簡支梁沖擊系數(shù)μ也按《通用規(guī)范》計(jì)算，μ=0.259。

4.2 模型建立

由于槽形梁在公路及城市橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少，鐵路槽形梁應(yīng)用較多，在橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算時可參考其計(jì)算原理，將兩側(cè)的主梁等代為具有下翼緣的L形梁，其下翼緣取主梁有效寬度范圍內(nèi)的行車道板，考慮縱向彎矩全部由主梁承受；行車道板按簡支梁或兩端固結(jié)梁計(jì)算，其計(jì)算跨徑取主梁中線之距。通過模擬等代，利用已經(jīng)較為成熟的混凝土梁的設(shè)計(jì)計(jì)算原理，為槽形梁的結(jié)構(gòu)建模提供了思路。

有限元模型采用Midas Civil軟件建立梁格模型，槽形梁為空間受力單元，故采用梁格模型比簡單的桿系模型更精確。該案例中，根據(jù)槽形梁斷面設(shè)計(jì)，將槽形梁劃分為兩片主梁，兩片主梁之間采用虛擬橫梁連接。為了與自重荷載吻合，橫梁不計(jì)自重。考慮左右梁構(gòu)造、荷載對稱，文章僅以左梁為例進(jìn)行分析。

橋梁計(jì)算時假定材料在荷載作用下處于小變形和線彈性階段，且各種荷載對結(jié)構(gòu)的作用符合線性疊加原理，鋪裝層不參與結(jié)構(gòu)受力，僅作為二期恒載考慮。

4.3 縱向計(jì)算

持久狀況承載能力極限狀態(tài)正截面承載力驗(yàn)算包絡(luò)圖如圖1所示。持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算如表1、表2所示。

表1 頻遇效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算表 單位：MPa

表2 準(zhǔn)永久效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算表 單位：MPa

圖1 持久狀況正截面抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖

極限狀態(tài)撓度驗(yàn)算如表3所示。持久狀況混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算如表4所示。施工階段混凝土正應(yīng)力如表5所示。由上述計(jì)算結(jié)果可知，主梁的強(qiáng)度驗(yàn)算、抗裂驗(yàn)算等主要控制指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表3 極限狀態(tài)撓度驗(yàn)算表 單位：mm

表4 持久狀況混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算表 單位：MPa

表5 施工階段混凝土正應(yīng)力表 單位：MPa

4.4 橫向計(jì)算結(jié)果

槽形梁橫向分析采用Midas Civil對行車道板進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)槽形梁行車道板的結(jié)構(gòu)與受力特點(diǎn)，取跨中單位長度的行車道板進(jìn)行計(jì)算，與預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁的橋面板計(jì)算方法類似。根據(jù)設(shè)計(jì)截面尺寸及鋼筋布置，計(jì)算出橋面板跨中處抗力為374.2kN·m，最大彎矩和最大裂縫均出現(xiàn)在行車道板跨中處，最大彎矩為322.7kN·m，表明正截面抗彎滿足要求，最大裂縫寬度為0.119mm≤0.2mm，裂縫寬度滿足要求。

5 結(jié)論與展望

通過結(jié)構(gòu)計(jì)算，槽形梁受力滿足要求，但計(jì)算過程中尚存在以下問題：（1）槽形梁溫度荷載的確定。在混凝土槽形梁中可能溫度荷載影響較小，但在鋼橋中溫度荷載影響較大，溫度荷載的準(zhǔn)確模擬對于槽形梁應(yīng)力結(jié)果有著重大的影響。（2）汽車荷載下槽形梁的動力性能研究。目前沒有明確規(guī)范指出如何計(jì)算槽形梁結(jié)構(gòu)汽車沖擊系數(shù)，這與活載模擬是否準(zhǔn)確有著重要的關(guān)系。（3）腹板與底板交接處受力復(fù)雜，難以準(zhǔn)確模擬。

在設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行中小跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)選型時，上部結(jié)構(gòu)一般采用裝配式簡支梁、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁、鋼箱梁等常規(guī)梁橋結(jié)構(gòu)，這些都是上承式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度較高。在跨徑確定的情況下，橋梁梁高可降低的空間非常有限，且近年來洪水問題頻發(fā)，進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量減少水中墩，常規(guī)通過減小跨徑降低梁高的方法也較難實(shí)現(xiàn)，在滿足橋下凈空要求的前提下，更迫切地需要設(shè)計(jì)者們研究如何降低橋梁建筑高度，以便選取更合適的方案。

國外槽形梁結(jié)構(gòu)的探索運(yùn)用較早，可追溯至二十世紀(jì)五六十年代，已有約70年歷史，國內(nèi)從改革開放后開始大量建設(shè)鐵路，槽形梁也被運(yùn)用到我國的軌道交通建設(shè)中，距今也有40年歷史。因此，我國軌道槽形梁設(shè)計(jì)的理論依據(jù)也較為充分，但其在公路領(lǐng)域及城市建設(shè)中還缺乏應(yīng)用實(shí)例。其主要原因是城市橋梁或公路橋梁路幅較寬，行車軌跡也不固定，槽形梁只有在較窄路幅且行車軌跡固定的橋梁中運(yùn)用才能展現(xiàn)其優(yōu)勢，且槽形梁的行車道板與主梁是整體的受力結(jié)構(gòu)，兩者共同承受荷載作用，是一種空間的受力體系，具有開口薄壁式構(gòu)件和開口框架的特點(diǎn)。同時，這兩種結(jié)構(gòu)形式存在抗扭性能差、受力復(fù)雜的缺陷，目前僅用現(xiàn)有的梁理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算還無法解決這些問題，因此要將槽形梁運(yùn)用到公路、橋梁中還需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)和深入的研究，從而形成強(qiáng)有力的理論體系作為支撐。