中跨度軌道交通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計(jì)

閆駿霞　叢方杰

摘 要：某輕軌工程一聯(lián)37.5+50+37.5米預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁在施工設(shè)計(jì)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(diǎn)支承的方案以滿足限界要求。針對中墩單支點(diǎn)支承方案邊支點(diǎn)存在的支座脫空問題，通過對一個中墩墩梁固結(jié)、支點(diǎn)增加配重混凝土和支點(diǎn)施加強(qiáng)迫位移三個方案的計(jì)算比選，確定采用墩梁固結(jié)方案，較好的解決了此預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的支座脫空問題。針對中墩單支點(diǎn)支承產(chǎn)生的較大扭矩，按照英國BS5400規(guī)范對主要截面抗扭強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算。在橫隔梁計(jì)算中，針對現(xiàn)行橋梁規(guī)范缺少橫隔梁受力分析論述的問題，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出了合理的橫隔梁受力分析原則；并對橫隔梁進(jìn)行實(shí)體單元建模，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析構(gòu)件應(yīng)力分布狀態(tài)，對單支點(diǎn)橫隔梁的強(qiáng)度計(jì)算方法提出了合理的建議。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁；墩梁固結(jié)；抗扭；橫隔梁

1 概述

某輕軌線一聯(lián)雙線三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，線間距由5米漸變?yōu)?.8米，梁寬由13.38米漸變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)段9.58米，橫截面為單箱室，橋梁跨度為37.5+50+37.5米。本橋?yàn)樽兏叨攘海催呏c(diǎn)處梁高為2米，中支點(diǎn)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(yù)應(yīng)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(xiàng)目后期，由于該橋下方道路調(diào)整，中墩橋墩蓋梁侵入行車道限界，需對設(shè)計(jì)做出調(diào)整。調(diào)整方案一為改變該段線路標(biāo)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(diào)整為單支座支撐后，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于全橋扭矩均由兩邊支點(diǎn)承受，當(dāng)橫向風(fēng)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(diǎn)出現(xiàn)了支座脫空現(xiàn)象，負(fù)反力大小為336kN。因此，必須采取措施消除負(fù)反力。另外，中墩調(diào)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(chǎn)生影響。以下主要介紹對這三個方面的設(shè)計(jì)，進(jìn)行計(jì)算。

2 方案比選

為解決支座脫空問題，對以下三個方案進(jìn)行了比較：

（1）一中墩橋墩為單點(diǎn)支撐，另一中墩與梁固結(jié)。全橋按照桿系單元建立模型，共建立了129個單元，130個節(jié)點(diǎn)。其中下部結(jié)構(gòu)僅建立墩梁固結(jié)處的橋墩及樁基礎(chǔ)的模型，其余部分只需在支點(diǎn)處建立一般支承即可。橋墩按實(shí)際尺寸建立，共劃分了7個單元，8個節(jié)點(diǎn)，通過與主梁的剛性連接模擬固結(jié)。對群樁基礎(chǔ)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(cè)立柱底端均固結(jié)、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(jié)模型，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，原產(chǎn)生負(fù)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(jié)，對主梁縱向受力未產(chǎn)生大的影響。

（2）兩個中墩均為單點(diǎn)支撐，邊支點(diǎn)附近邊跨增加配重以抵消邊墩支座可能產(chǎn)生的負(fù)反力，配重材料為鋼渣混凝土，澆筑在箱室內(nèi)。采用與方案一同樣的方法建立上部結(jié)構(gòu)模型，支點(diǎn)處設(shè)置一般支承，在F25墩附近10.75米的范圍內(nèi)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(jīng)計(jì)算，最小支座反力為908.6kN，未出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。

（3）兩中墩支點(diǎn)均為單點(diǎn)支撐，兩邊墩支點(diǎn)施加向上的強(qiáng)迫位移。建模方法同上，強(qiáng)迫位移通過在支點(diǎn)處施加節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移實(shí)現(xiàn)，在中墩支點(diǎn)處施加250mm向下的強(qiáng)制位移，同時在邊墩支點(diǎn)處施加250mm向上的強(qiáng)制位移。經(jīng)計(jì)算，最小支座反力為464.4kN，未出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。

通過計(jì)算比較，三種方案均可抵消邊墩支座負(fù)反力，而方案一不需要調(diào)整預(yù)應(yīng)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(diǎn)附近箱室內(nèi)，影響箱梁后期維護(hù)，且不利于支座附近箱梁底板受力；而方案三采用強(qiáng)迫位移，通過千斤頂在支點(diǎn)處頂升實(shí)現(xiàn)，但工藝復(fù)雜，容易產(chǎn)生較大誤差，且影響了主梁應(yīng)力分布，需要增加連續(xù)梁的鋼絞線用量，并需調(diào)整鋼絞線線型。

因此，本聯(lián)連續(xù)梁最終的梁外形、兩邊墩支座方案同原設(shè)計(jì)，一中墩處改用單支撐，另一中墩處改用墩梁固結(jié)形式，對應(yīng)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(jié)處重新配筋。

3 抗扭計(jì)算

一個中墩調(diào)整為單支座支撐后，由單線列車荷載和橫向風(fēng)力產(chǎn)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(jìn)行抗扭驗(yàn)算。由于鐵路橋規(guī)中沒有關(guān)于構(gòu)件抗扭的計(jì)算，采用英國BS5400規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時應(yīng)注意，抗扭鋼筋應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)應(yīng)力時，可計(jì)及橫截面中同時承受彎曲壓應(yīng)力的鋼筋面積以減少鋼筋用量。受壓區(qū)減少的鋼筋量可取為：

本橋?qū)蛇呏c(diǎn)變截面、墩梁固結(jié)處截面進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，各截面均需布置抗扭鋼筋，按實(shí)際配筋量減去所需抗扭鋼筋后，對截面進(jìn)行抗彎和抗剪驗(yàn)算，均可滿足規(guī)范要求。

4 單支點(diǎn)橫隔梁計(jì)算

4.1 計(jì)算方法

現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)工程教材及設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)計(jì)中卻不具有實(shí)用性。因此本次設(shè)計(jì)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用較為簡易的計(jì)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(nèi)的荷載可按實(shí)際位置計(jì)算。按照以上原則，就可大大簡化橫隔梁計(jì)算模型。

4.2 強(qiáng)度計(jì)算

固結(jié)中墩處橫隔梁為單支點(diǎn)，橫隔梁厚為2米，截面具體尺寸如圖3所示。根據(jù)以上計(jì)算方法，腹板傳遞的力在支點(diǎn)附近截面將產(chǎn)生較大彎矩及剪力。以往設(shè)計(jì)中對此類情況多在橫隔梁中布置橫向預(yù)應(yīng)力束，但該橫隔梁寬度較小，最大處僅為6.5米，如施加預(yù)應(yīng)力將產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失，且易與縱向預(yù)應(yīng)力束沖突。因此，該橫隔梁按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，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(guī)范中規(guī)定的深梁的特點(diǎn)，但為單支點(diǎn)，缺乏相關(guān)的理論依據(jù)。因此本次設(shè)計(jì)通過實(shí)體模型探討單支點(diǎn)橫隔梁適合的強(qiáng)度理論。

由于是單支點(diǎn)，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(diǎn)左右兩側(cè)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(yīng)實(shí)體單元外側(cè)面上。通過軟件計(jì)算得出橫隔梁的彎曲應(yīng)力分布情況，積分后畫出彎曲應(yīng)力圖，如圖4所示。

由于所使用的實(shí)體單元為彈性單元，所以所得應(yīng)力亦為彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布，但已基本表明橫隔梁的正截面應(yīng)變分布基本符合平截面假設(shè)，應(yīng)力分布接近線性關(guān)系，非線性分布不很明顯。因此，該橫隔梁現(xiàn)按照鋼筋混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算配筋，為偏于安全，可再按照深梁進(jìn)行核算。

5 結(jié)束語

針對某輕軌線三跨連續(xù)梁橋施工設(shè)計(jì)，文章通過方案計(jì)算比選，最終確定了墩梁固結(jié)方案，較好地解決了前期設(shè)計(jì)存在的支座脫空問題。

按照新的設(shè)計(jì)方案，文章根據(jù)英國BS5400規(guī)范又對截面的抗扭問題進(jìn)行了驗(yàn)算，確保了結(jié)構(gòu)的安全；并通過對橫隔梁進(jìn)行實(shí)體建模分析，對單支點(diǎn)受彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算方法提出了合理的建議。

通過本橋設(shè)計(jì)，對今后的預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計(jì)提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]英國標(biāo)準(zhǔn)BS5400.鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋（上冊）[S].1986.

[2]延波.城市軌道交通箱梁橫隔梁實(shí)用簡化計(jì)算[J].都市快軌交通，2007.