變截面U箱組合節(jié)段梁結構施工力學特性分析*

陳 琳，袁劍閣，裴 偉，李 航，任 博

(中建三局基礎設施建設投資有限公司，湖北 武漢 430061)

0 引言

U箱組合梁是繼預制節(jié)段梁之后的一種新型橋梁結構形式，其同時具有U形梁和箱形梁的優(yōu)點，抗扭強度大，結構外形美觀，結構上部腹板與附屬結構相結合，方便施工及日后養(yǎng)護維修，總體適應性更強。近年來，U箱組合梁結構受到國內、外專家的關注。馬忠政[1]研究了節(jié)段拼裝式雙U形-箱形截面連續(xù)梁橋的靜力特性，得到U形梁截面應變沿梁高近似呈線性變化和應力橫向分布的規(guī)律。王連廣等[2]基于能量原理，考慮彎矩耦合和滑移效應的影響，得到組合梁在不同剪滯翹曲位移下的應變變化規(guī)律及各參數(shù)對曲線組合梁的影響曲線，為解決曲線組合梁剪力滯問題提供了思路。李學斌等[3]通過研究預制混凝土節(jié)段梁接縫面的抗剪承載力，得到平面干接縫增設剪力鍵可顯著提高接縫的抗剪承載力。孫寧等[4]通過對施工現(xiàn)場預制節(jié)段梁裂縫進行檢測和統(tǒng)計,并對節(jié)段預制梁施工不利情況進行數(shù)值模擬,提出施工過程節(jié)段預制梁裂縫防治措施。陳昭暉等[5]通過研究組合箱梁的受力過程、破壞形態(tài)和裂縫開展情況，得到組合梁在彈性變形、裂縫開展和結構破壞受力階段的受力特性。翁方文等[6]以泉州灣跨海大橋連續(xù)梁為背景,研究大跨度不對稱連續(xù)梁的受力特征，得到主梁施工階段應力狀態(tài)，為安全施工和提高施工效率提供了指導。有關節(jié)段梁結構形式和受力特點的研究較多[7-13]，但針對變截面U箱組合梁施工過程中的力學特性和施工工藝的研究相對較少。基于上述背景，本文以天津市濱海新區(qū)軌道交通Z4線為例，針對U箱組合梁結構受力性能開展研究。

1 U箱組合梁的綜合性能及優(yōu)化設計

1.1 綜合性能

U箱組合梁可顯著改善結構負彎矩段受力性能，使結構高度降低，提升空間利用率。同時，組合梁結構抗扭、抗彎能力強，可在減小道床板厚度的同時無須配置橫向預應力筋也能滿足結構強度和應力要求。U形梁兩側邊腹板均可提供隔聲板和防撞墻等功能。全橋梁高不僅按曲線變化，且組合梁橋中跨及中跨附近截面設為開口截面，為軌道調高提供可能性的同時也大幅度降低了梁高，更好地滿足了城市橋梁景觀設計。上部U形梁腹板可將受力構件與附屬構件完美地結合為一體，減少橋梁安裝施工工序，便于橋梁后期維護。另外，U箱組合梁利用下部箱形梁腹板支承軌道及列車，從而降低軌道標高和橋梁整體高度，該結構也具備U形梁的優(yōu)點，可在腹板內側布置通信、電力等設備，將截面空間充分利用起來；不僅能降低車輛運行高度、減小噪聲污染，也能將承載、運營系統(tǒng)等功能有機結合在一起，是一種新型結構形式。

1.2 優(yōu)化設計

變截面U箱組合梁為上U下箱的組合截面，上部U形梁邊腹板為斜腹板，中腹板為直腹板構造，下部箱形梁為單箱雙室梁，U形梁中腹板與箱形梁中腹板對齊貫通設置。箱形梁的2道邊腹板與2條線路中心線位置對齊。通過計算可知，中腹板承受截面少許的剪力，大部分剪力由箱形梁邊腹板承受。U形梁3道腹板的布置方式有利于底板的橫向受力，不僅能減小底板厚度，且無須在底板中配置橫向預應力也能使其強度和應力指標滿足要求，從而滿足施工及受力條件。此外，主要受力截面的強度及應力指標也有所提高。其箱形梁邊腹板采用斜腹板結構，使整個結構高強度、薄壁、輕型化、橫向受力等性能更加突出。

2 變截面U箱組合節(jié)段梁結構受力性能研究

2.1 工程概況

2.1.1結構概況

濱海新區(qū)軌道交通Z4線北塘站—中心生態(tài)城站為(30+50+30)m 3跨連續(xù)梁橋，采用變截面U箱組合截面，其中，0～2號塊為變截面U箱組合梁段，0號塊為現(xiàn)澆塊，1，2號塊為預制塊；3～6號塊為預制U形梁段。橋梁全長110m，負彎矩由中墩附近的U形梁梁段底部箱形結構承受。本橋梁高按1.8次拋物線變化，中墩處梁高4.89m，跨中(邊跨)處梁高2.49m；橋寬沿線路方向從26.37m線性變至20.20m；道板厚0.44m。梁邊腹板為斜腹板，9號塊處斜腹板厚度由0.26m過渡到0.4m，0～6號塊處斜腹板厚0.4m，中腹板厚0.8m。橋梁結構布置如圖1所示。

圖1 橋梁結構布置(單位：cm)

2.1.2靜力學計算參數(shù)

1)結構自重 主梁采用C55混凝土，重度按26kN/m3考慮。

2)雙線二期恒荷載 包括承軌臺式道床、強弱電支架及電纜、聲屏障、接觸網支柱基礎、橋面系、緊急疏散平臺欄桿及橡膠墊塊等，取64kN/m。接觸網支柱以集中力加載于1/4跨位置，一般柱底最大垂直荷載為10kN，垂直線路方向的最大彎矩為100kN·m，最大水平力為20kN；下錨柱底最大垂直荷載為20kN,垂直線路方向的最大彎矩為80kN·m，最大水平力為20kN。

3)預應力 對后張預應力鋼束施加張拉控制應力，取1 265MPa；預應力鋼筋與管道壁間的摩擦系數(shù)μ為0.17，管道偏差系數(shù)k為0.001 5，錨頭變形、鋼筋回縮6mm。

4)活荷載 列車豎向動力作用按GB/T 51234—2017《城市軌道交通橋梁設計規(guī)范》中第5.2.4條計算。其雙線U形梁橋道板的動力系數(shù)宜取0.3。

5)附加力 ①制動力或牽引力 按列車豎向靜活荷載的15%計算，當與離心力同時計算時，可按豎向靜活荷載的10%計算。②溫度荷載 整體升溫至35℃、整體均勻降溫;溫度梯度升溫則按U形梁頂升溫8℃,箱頂升溫14℃計算，溫度梯度降溫按升溫的0.5倍考慮。

2.2 有限元模型建立與分析

2.2.1建模原則與假設

1)盡量反映結構的真實構造，如實反映結構細節(jié)和尺寸變化，如斜腹板厚度、腹板弧度等。

2)應嚴格按節(jié)段梁實際約束條件(如受約束位置、受約束區(qū)域大小、約束方向等)設置邊界條件。

3)材料及結構滿足線彈性假設。

4)對于節(jié)段梁結構的模擬，按整體計算，不考慮拼裝及接頭的剛度和普通鋼筋對結構的影響。

5)考慮計算過程較復雜，模型縱向距離較大，為簡化計算，僅考慮對節(jié)段梁影響較大的荷載因素，如自重、雙線二期恒荷載等荷載。

U箱組合梁橋模型如圖2所示。

圖2 U箱組合梁橋模型

2.2.2數(shù)值模擬結果分析

U箱組合節(jié)段梁橋在主力作用下各截面最大撓度變形曲線如圖3所示。由圖3可知，節(jié)段梁橋的最大變形主要發(fā)生在中跨附近，值為15.25mm。截面變形向梁段兩邊逐漸衰減，在邊跨附近變形較小且均勻，值為1.75～3.51mm。

圖3 節(jié)段梁各截面最大撓度變形曲線

中跨及預制2號塊截面變形如圖4所示。對于U箱組合梁截面而言，變形主要集中在U形梁邊腹板上，且變化較小，箱形結構部分的變形更小，值為0～1.69mm。節(jié)段梁撓度變形均滿足節(jié)段梁豎向撓度的容許值L/1 500(L為橋梁跨度)。

圖4 中跨及預制2號塊截面變形(單位：mm)

梁體在自重、二期恒荷載、靜活荷載等條件下主要承受壓應力。邊支座、中跨及預制2號塊截面主應力如圖5所示。由圖5a可知，邊支座處U形梁截面最大主應力位于梁頂位置，值為10.38MPa；最小主應力發(fā)生在梁道板底，值為-1.76MPa。由圖5b可知，中跨處U形梁截面應力最大值分布于梁道板底部，值為3.63MPa。由圖5c可知，預制2號塊及其附近的U箱組合梁截面最大主應力主要分布于邊腹板與梁道板連接處和梁頂位置，同時因U箱組合梁截面橫向發(fā)生變形，導致截面些許部位應力不等，是由于計算模型中簡化了預應力荷載施加方式，使U箱組合梁截面中U形梁與箱形梁連接處附近出現(xiàn)拉應力，但很快向周圍混凝土衰減，符合應力變化規(guī)律。

圖5 邊支座、中跨及預制2號塊截面主應力(單位：MPa)

剪切應力也是衡量梁橋結構性能的基本參數(shù)之一。普通箱形梁通常在支座處附近通過增加腹板厚度滿足結構的抗剪切能力，變截面U箱組合梁則通過設置箱室腹板來承受結構大部分剪切應力。節(jié)段梁在自重、二期恒荷載、靜活荷載等作用下，中跨及預制2號塊截面剪切應力如圖6所示。

圖6 中跨及預制2號塊截面剪切應力(單位：MPa)

由圖6可知，中跨截面剪切應力為0.009～3.990MPa，該截面最大剪切應力發(fā)生在梁頂處，最小剪切應力發(fā)生在梁道板底處。U箱組合梁2號截面的剪切應力主要發(fā)生在腹板連接處，由此可知截面剪力主要由箱形結構的邊腹板和中腹板承受，所承受的剪力為截面剪力的90%以上，這與常規(guī)箱形截面的剪力分布特性一致。同時，0號塊梁頂附近截面剪切應力為1.33～5.98MPa，結果符合《城市軌道交通橋梁設計規(guī)范》中第7.2.3條梁橋截面剪應力規(guī)定。

3 施工過程受力分析

3.1 施工過程

天津軌道交通Z4線(30+50+30)m梁橋施工共分為14個階段：①第1階段 支模現(xiàn)澆0號塊梁段；②第2階段 采用起重機對稱安裝第1節(jié)段；③第3階段 與0號塊濕接20cm濕接縫；④第4階段 張拉預應力鋼束進行預應力張拉；⑤第5～9階段 分別對稱拼裝第1～6節(jié)段，每安裝一個節(jié)段，張拉對應的預應力束；⑥第10節(jié)段 激活9號塊支架現(xiàn)澆節(jié)段梁；⑦第11階段 現(xiàn)澆20cm濕接縫進行邊跨合龍；⑧第12階段 預應力束張拉；⑨第13階段 現(xiàn)澆20cm濕接縫進行中跨合龍；⑩第14階段 拆除臨時支座，激活永久支座，施加二期荷載。在施工過程中橋梁結構的邊界條件會因結構體系的變化而變化。邊跨合龍前，橋梁結構為最大懸臂結構，合龍后則為懸臂簡支結構，中跨合龍后，橋梁結構變成連續(xù)梁橋結構。邊跨合龍前，臨時固定6號塊；中跨合龍后，解除臨時固定，進行體系轉換，邊墩和中墩均轉為永久固定支座。

3.2 建立施工過程有限元模型

利用有限元軟件ANSYS建立三維精細化模型。梁單元按U箱組合梁截面變化情況進行模擬，U箱組合梁橋材料為C55混凝土，預應力鋼束采用公徑直徑15.2mm、抗拉強度標準值為1 860MPa、彈性模量為195 000MPa的鋼絞線。汽車荷載為城市-A級，接縫處的環(huán)氧樹脂膠則通過建立微小單元并賦予其材料特性進行模擬。全橋有限元模型如圖7所示。

圖7 全橋有限元模型

3.3 施工階段力學特性分析

根據(jù)天津軌道交通Z4線施工方案，選取邊跨合龍和中跨合龍節(jié)段施工工況分析結構的內力和變形，施工過程中考慮的荷載主要包括結構自重、雙線二期恒荷載、施工臨時荷載、預應力等。

3.3.1變形分析

對節(jié)段梁最大懸臂階段位移進行分析。根據(jù) TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》，懸臂構件最大撓度限值為I/250(I為主梁跨徑)。在最大懸臂階段，節(jié)段梁懸臂端部的最大位移為15.9mm，符合要求。中跨合龍和邊跨合龍完成后結構撓度曲線如圖8所示。

由圖8可知，邊跨合龍后節(jié)段梁邊跨處、中跨處最大撓度位于4，6號塊，其值分別為9.7，14.70mm，中跨合龍施工后橋梁撓度下降，邊跨最大撓度位于4號塊，值為7.13mm，中跨部分引起向下的最大撓度位于6號塊，值為12.84mm，均不超過L/2 000(L為橋梁跨徑，邊跨30m，中跨50m)。計算結果表明，合龍后結構體系轉換對U箱組合梁橋結構的撓度有較大影響；合龍后結構豎向撓度較合龍前均有所減小，主要因為合龍后結構由懸臂狀態(tài)變?yōu)橹锌绾瓦吙缇嬖诩s束的狀態(tài)。中跨合龍和邊跨合龍施工階段，節(jié)段梁撓度變化趨勢相似，其中，拼裝邊跨4號塊至中跨6號塊階段的撓度值變化趨勢基本一致。

3.3.2應力分析

中跨合龍和邊跨合龍完成后梁體應力如圖9所示。由圖9可知，梁段邊跨合龍后，其最大應力為 6.19MPa，最小應力為-4.22MPa，應力較小，強度滿足要求。在最大懸臂階段，節(jié)段梁橋最大應力為29.2MPa，滿足施工階段強度要求。梁段中跨合龍后，節(jié)段梁最大應力為6.06MPa，滿足施工強度要求。

圖9 中跨合龍和邊跨合龍完成后梁體應力

4 結語

1)U箱組合梁具有強度高、質量小、線形優(yōu)美、占地少、工期短及能在空間狹小的繁華地段快速建成通車等優(yōu)勢。將下部箱形梁腹板用來支承軌道及列車降低軌道高程，并在滿足城市軌道交通橋梁凈空構造的前提下使橋梁及車站的高度降低1.5～2m，結構外輪廓為流線型較美觀，腹板內側可根據(jù)需求布置各類通信、電力等設備，同時還能防止車輛脫軌。該梁形有效解決了跨平交路口連續(xù)梁形式與全線簡支U形梁在景觀形式上協(xié)調統(tǒng)一的問題。

2)對變截面U箱組合梁橋結構施加荷載組合工況，分析節(jié)段梁結構受力情況，結果顯示該變截面U箱組合梁橋變形呈整體下?lián)希锌缇植苛旱腊迕嫦掳甲冃危Y構應變和腹板應力均小于規(guī)范容許值，滿足設計規(guī)范要求。

3)以天津市濱海新區(qū)軌道交通Z4線為例進行施工階段精細化建模分析，結構及主要構件應力、變形均滿足規(guī)范要求。