軌道交通新型節(jié)段預(yù)拼橋梁受力特性研究

方亞非，洪 浩，張劍英，朱鴻欣

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市　200092）

軌道交通新型節(jié)段預(yù)拼橋梁受力特性研究

方亞非，洪 浩，張劍英，朱鴻欣

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

在上海市軌道交通17號(hào)線高架區(qū)間，某主跨55m的節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土連續(xù)梁橋，采用上U下箱的新型截面?，F(xiàn)通過實(shí)體有限元模型，分析其各腹板的剪力分配情況，用以指導(dǎo)該橋梁的抗剪設(shè)計(jì)；同時(shí)研究了其橫向受力特性，以指導(dǎo)橫向配筋設(shè)計(jì)。

上U下箱截面；節(jié)段預(yù)制拼裝；剪力；橫向受力

1　工程概況

在上海市軌道交通17號(hào)線跨越路口及河流區(qū)段，首次采用了上U下箱的新型截面梁橋。U梁利用底板支承軌道及列車，腹板兼具隔音屏障的作用，建筑高度低、結(jié)構(gòu)輕巧美觀［1］，然而在跨越部分路口及河道時(shí)，橋跨布置超出了簡支U梁的適用范圍，有必要采用連續(xù)梁橋進(jìn)行跨越。為使其景觀效果與鄰近的簡支U梁協(xié)調(diào)統(tǒng)一，采用上U下箱的新型截面，如圖1所示：中墩附近的截面以箱形為主，箱形截面為主要受力區(qū)域；從中墩向邊墩及跨中，截面逐漸由箱形向U形過渡；邊墩墩頂與簡支U梁交接處，連續(xù)梁截面完全變?yōu)閁形。

圖1　新型截面連續(xù)梁橋外形示意圖

混凝土橋梁的節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)，可以加快施工速度，最大限度地減輕對(duì)橋位環(huán)境影響和交通干擾，易于保證工程質(zhì)量，且能降低橋梁生命周期成本［2］。考慮到上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，該節(jié)點(diǎn)橋梁施工采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)：待橋墩施工完成后，在承臺(tái)上搭支架澆筑0號(hào)塊件；主梁懸拼節(jié)段采用短線法預(yù)制，吊機(jī)逐段懸拼施工；最后合攏中跨，形成連續(xù)結(jié)構(gòu)。

上U下箱新型截面連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)新穎，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復(fù)雜，需要對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行詳細(xì)分析。本文通過對(duì)某跨徑布置33 m+55 m+33 m的上U下箱新型截面連續(xù)梁橋（見圖2）的實(shí)體有限元分析，對(duì)腹板剪力分配以及橫向受力特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，以全面地了解該結(jié)構(gòu)的受力性能，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與安全性。

圖2　新型軌道交通節(jié)段預(yù)拼橋梁截面圖

2　實(shí)體有限元分析

2.1有限元模型介紹

采用ABAQUS軟件進(jìn)行實(shí)體有限元分析，為縮減計(jì)算規(guī)模、提高計(jì)算效率，在中跨跨中截面施加對(duì)稱約束建立半橋模型，如圖3所示。混凝土梁體采用C3D8R實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用T3D2桁架單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用節(jié)點(diǎn)固結(jié)的方式嵌入混凝土。

圖3　橋梁實(shí)體有限元模型

在有限元模型中，按施工步驟分步添加梁體節(jié)段并張拉預(yù)應(yīng)力，同時(shí)注意施工過程中邊界條件的轉(zhuǎn)換。

2.2腹板剪力分配

梁跨內(nèi)的荷載主要通過腹板上的分布剪力進(jìn)行傳遞，腹板剪力控制著結(jié)構(gòu)抗剪承載力設(shè)計(jì)。因此，將各腹板劃分成獨(dú)立的抗剪區(qū)域（見圖4），對(duì)各區(qū)域的剪力分配情況進(jìn)行分析。中腹板剛度最大，大致等于U腹板1、U腹板2、箱腹板1及箱腹板2的剛度之和。

圖4　截面抗剪區(qū)域劃分示意圖

當(dāng)橋梁對(duì)稱懸拼至最大懸臂狀態(tài)時(shí)，墩頂附近上U下箱形截面剪力最大。偏保守地不考慮預(yù)應(yīng)力的作用，僅計(jì)入自重。表1列出了各截面腹板區(qū)域的剪力分配情況，其中距中墩墩頂1 m的截面為橫隔梁邊界，距中墩墩頂3.2 m的截面為現(xiàn)澆段中間位置，其余截面為預(yù)制節(jié)段接縫面。

表1　各截面腹板區(qū)域承擔(dān)的剪力一覽表

由表1可得出以下結(jié)論：

（1）中腹板承擔(dān)的剪力最大，大致相當(dāng)于其他各腹板承擔(dān)的剪力之和?？梢姡鞲拱寮袅Φ姆峙渑c腹板自身剛度有關(guān)，腹板剛度越大則承擔(dān)的剪力越大。

（2）中墩墩頂附近箱形截面為主的區(qū)域，箱形截面的3道腹板承擔(dān)了50%以上的剪力，而U腹板承擔(dān)的比例很小。這表明，中墩墩頂附近的梁體，箱梁受力特征顯著。

（3）遠(yuǎn)離中墩的位置，梁體截面中箱形部分結(jié)構(gòu)高度不斷減小，上方U形部分占據(jù)截面的比例逐漸增加，截面剪力也相應(yīng)地由箱梁承擔(dān)轉(zhuǎn)移到U梁承擔(dān)，U梁受力特征顯著。

2.3橫向受力特性

既有研究表明，槽型梁橋道床板沿縱向產(chǎn)生的裂紋是其主要病害之一，此病害主要緣于較大的橫向彎矩［3］。對(duì)于本文研究的上U下箱形新型截面梁，這里重點(diǎn)關(guān)注其橫向受力。

在自重及預(yù)應(yīng)力作用下，上U下箱形變截面連續(xù)梁頂板橫向正應(yīng)力如圖5所示。

圖5　頂板橫向正應(yīng)力分布云圖

頂板橫向正應(yīng)力最大值位于中墩墩頂截面，該截面的橫向正應(yīng)力分布如圖6所示。頂板上部受拉、下部受壓，懸臂板橫向拉應(yīng)力峰值3.9 MPa。

圖6　中墩墩頂橫向正應(yīng)力分布云圖

而在遠(yuǎn)離墩頂?shù)腢形截面處，如圖7所示，U形截面的底板同樣上部受拉、下部受壓，中腹板與底板隅角處橫向拉應(yīng)力最大，達(dá)到0.9 MPa。

圖7　U形截面部分橫向正應(yīng)力分布云圖

上述分析表明，中墩附近的截面以箱形為主，箱體部分剛度較大，橫向受力可比擬成箱體作支承的懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂根部最為不利；距中墩較遠(yuǎn)的U形截面部分，中腹板剛度較大，橫向受力可比擬成中腹板作支承的懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂根部最為不利。

在上述橫向拉應(yīng)力最大的兩個(gè)截面位置，沿橋梁縱向取1 m長的節(jié)段，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的橫向應(yīng)力進(jìn)行積分，可以得到橫向彎矩，用以指導(dǎo)橫向配筋設(shè)計(jì)，結(jié)果列于表2。可見，該節(jié)點(diǎn)橋梁的橫向配筋安全合理。

表2　橫向彎矩結(jié)果一覽表

3　結(jié)　語

上U下箱形結(jié)合截面是一種兼顧景觀需求、結(jié)構(gòu)受力與設(shè)備布置的巧妙組合，通過對(duì)軌道交通新型節(jié)段預(yù)拼橋梁的實(shí)體有限元分析，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)受力的主要特點(diǎn)：

（1）各腹板剪力的分配與腹板自身剛度有關(guān)，腹板剛度越大則承擔(dān)的剪力越大。中墩墩頂附近箱形截面為主的區(qū)域，主要表現(xiàn)為箱梁受力特征。遠(yuǎn)離中墩的U形截面為主的區(qū)域，主要表現(xiàn)為U梁受力特征。

（2）中墩附近的截面，其橫向受力可比擬成箱體作支承的懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂根部最為不利；距中墩較遠(yuǎn)的U形截面部分，其橫向受力可比擬成中腹板作支承的懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂根部最為不利。

［1］張吉，陸元春，吳定俊.槽形梁結(jié)構(gòu)在軌道交通中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013，（10）:78-82.

［2］Culmo M P.Connection details for prefabricated bridge elements and systems［R］.FHWA-IF-09-010，2009.

［3］黃僑，陳卓異，楊明.槽型梁橋力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀與展望［J］.中外公路，2013，33（6）:131-135.

U441+.5

A

1009-7716（2016）07-0286-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.085

2016-04-20

方亞非（1971-），男，湖南新化人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事交通工程設(shè)計(jì)研究工作。