預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)

張祺偉

摘? 要：文章主要介紹槽形梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及選型。并以雙線槽形梁為例，論述普通鐵路槽形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，并為設(shè)計(jì)者提供思路。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力;槽形梁;結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：U448.13? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0084-03

Abstract： This paper mainly introduces the structural characteristics and selection of groove beam. Taking the double-line groove beam as an example， this paper discusses the structural design of ordinary railway groove beam， puts forward the problems needing attention in the design process， and provides ideas for designers.

Keywords： prestress; groove beam; structural analysis

1 概述

槽形梁是一種下承式橋梁，適用于鐵路橋、公路橋及城市高架橋，受線路縱段及線下凈空限制，目前在國(guó)際上應(yīng)用較多。我國(guó)在鐵路和公路橋梁上也有此種工程實(shí)例。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及選型

槽形梁是適合于軌道交通的一種優(yōu)秀、新型的橋梁結(jié)構(gòu)型式：

（1）有效建筑高度低：道床板可控制在0.35～0.50m左右，較一般混凝土T梁降低2.0m左右。在軌道交通中應(yīng)用較為普遍，對(duì)降低車站及區(qū)間建筑高度效果顯著。

（2）降噪效果好：車輛行駛過(guò)程中噪聲收到兩側(cè)主梁腹板的阻隔，在一定程度上降低噪聲干擾。相對(duì)箱梁，槽形梁無(wú)箱體共鳴噪聲。

（3）斷面空間利用率高：梁上翼緣可兼做檢修疏散通道、設(shè)置聲屏障，下部空間可布置通信、信號(hào)、電力電纜等管線并設(shè)置行人通道。

（4）行車安全：兩側(cè)主梁可防止列車脫線，兼做護(hù)輪軌的作用，給行車安全提供了可靠的保證。

（5）外觀美觀、視覺(jué)效果好：槽形梁不但本身梁體外型優(yōu)美，而且主梁上翼緣和腹板遮擋了外觀較差的橋面系及車輛走行系統(tǒng)， 只露出整潔、美觀的上部車體;在城市軌道交通中，若采用三軌供電系統(tǒng)，則景觀效果更佳。

槽形梁主要由主梁、道床板和端橫梁組成，外部荷載通過(guò)道床板傳給主梁再傳給端橫梁，最后傳至支座的途徑。當(dāng)跨度足夠大時(shí)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將會(huì)加劇，這時(shí)更傾向于使用箱型截面主梁來(lái)增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

根據(jù)不同的主梁形式，槽形梁截面形式分為三種，即直墻式、斜墻式、箱式。

直墻式槽形梁抗扭剛度較小主要用于跨度不大的單線鐵路上，且主梁上部翼緣可為附屬設(shè)置的布設(shè)提供較大空間。斜墻式槽形梁梁底寬度較小，支座容易布置，減少工程量，增強(qiáng)景觀效果。箱式槽形梁抗扭剛度較大，主要用于跨度較大情況。箱內(nèi)可布置附屬設(shè)施和維修養(yǎng)護(hù)通道，但自重大，支座橫向布置及預(yù)制施工困難。

3 結(jié)構(gòu)尺寸及設(shè)計(jì)參數(shù)

本槽形梁位于錦阜高鐵路DK26處，由于本橋需跨越既有鐵路，需采用下承式梁型，初步方案選定槽型梁及下承式鋼桁梁。下承式鋼桁梁具有跨越能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)受力合理、工期短、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高，后期維護(hù)工作量大?？紤]到本橋前后順接均為32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，故本橋采用32m等高度雙線槽形梁。

3.1 結(jié)構(gòu)尺寸

主梁全長(zhǎng)32.60m，梁端距支座中心各0.70m，計(jì)算跨度31.20m。碎石道床，軌底至槽形梁底板底面0.65m，采用滿堂支架整體現(xiàn)澆施工?？v向概圖，如圖1所示。

根據(jù)槽形梁的受力特點(diǎn)，主梁設(shè)計(jì)主要取決于縱向受力。道床板厚度由橫向跨度控制。經(jīng)過(guò)試算及優(yōu)化，槽形梁截面如下：梁底寬11.58m，梁上口凈寬為9.60m（考慮曲線加寬及超高預(yù)留20cm）?？缰薪孛娓?50cm，底板厚75cm，腹板厚60cm，腹板下緣馬蹄形寬20.5cm，高85.0cm，支點(diǎn)截面梁高400cm，底板厚125.0cm，腹板厚78.5cm，梁截面形式如圖2所示。

3.2 主要材料及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1 混凝土

本次設(shè)計(jì)槽形梁采用C55混凝土，彈性模量為3.60×104MPa，泊松比0.2，軸心抗壓強(qiáng)度為37.0MPa，軸心抗拉強(qiáng)度為3.30MPa。

3.2.2 梁體采用縱橫兩向預(yù)應(yīng)力體系

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用15-7φ5（腹板）及9-7φ5（底板）標(biāo)準(zhǔn)鋼束，管道成形采用內(nèi)徑為90mm和80mm鋼波紋管。橫向采用13-7φ5（支點(diǎn)）及7-7φ5（底板、支點(diǎn)）標(biāo)準(zhǔn)鋼束，管道成形采用內(nèi)徑為90mm和70mm鋼波紋管。除底板一般段單端交替張拉外，其余鋼束均兩端張拉，并采用張拉控制應(yīng)力和伸長(zhǎng)量雙控，嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線：彈性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，松馳系數(shù)ζ=0.3，鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ取0.26;每米管道對(duì)其設(shè)計(jì)位置的偏差系數(shù)k取0.003，錨頭變形、鋼筋回縮（考慮反摩阻）△L取6mm。其它預(yù)應(yīng)力損失按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3-2005）規(guī)定計(jì)算。

3.3 荷載及其荷載組合

3.3.1 恒載

梁體自重：γ=26.00kN/m3

二期恒載：包括碎石道碴、橋上擋碴墻、電纜槽、人行道欄桿及步道等，經(jīng)計(jì)算，按150.00kN/m計(jì)算。

3.3.2 列車荷載

根據(jù)基本規(guī)范，本次設(shè)計(jì)活載采用中-活載，并考慮1.14的沖擊系數(shù)。沖擊系數(shù)采用計(jì)算跨度L=31.20m：由取1.4，得動(dòng)力系數(shù)：1+μ=1.14。

3.3.3 離心力

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》4.3.6，離心力對(duì)集中荷載為20.79kN/m，對(duì)均布荷載為8.69kN/m，水平向外作用于軌頂2.0m處。

3.3.4 搖擺力

取值100kN，作為一個(gè)集中力作用于梁體最不利位置。

3.3.5 制動(dòng)力

按豎向靜活載的10%計(jì)算，但當(dāng)與離心力或列車豎向動(dòng)力作用同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力或牽引力按列車豎向靜活載的7%計(jì)算。

3.3.6 風(fēng)力

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》4.4.1進(jìn)行計(jì)算，按橋上有車、橋上無(wú)車兩種工況包絡(luò)取最大值。

3.3.7 特殊荷載

施工荷載：由于臨近孔跨為標(biāo)準(zhǔn)32mT梁，需考慮架橋機(jī)荷載。本次設(shè)計(jì)架橋機(jī)采用TJ160型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工荷載計(jì)算。

地震力：地震基本烈度6度，地震動(dòng)峰值加速度0.05g，按鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)的抗震措施。

2.3.8 荷載組合

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》4.1.1，荷載組合分別以主力，主力+附加力進(jìn)行組合，取最不利組合設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮架橋機(jī)荷載進(jìn)行驗(yàn)算。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)簡(jiǎn)支梁具體情況，本次設(shè)計(jì)采用Midas Civil 有限元軟件進(jìn)行平面桿系分析。

4.1 槽形梁縱向計(jì)算

按照槽形梁截面特點(diǎn)，對(duì)全梁進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑⒉捎糜邢拊浖M(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算模型如圖3。

將上述荷載按位置施加于縱向模型，計(jì)算后按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》進(jìn)行荷載組合，查看不同工況下梁?jiǎn)卧膽?yīng)力。依此進(jìn)行鋼束設(shè)計(jì)并調(diào)整后，得出鋼束布置及數(shù)量?？v向鋼束布置如圖4。

4.2 槽形梁橫向計(jì)算

4.2.1 計(jì)算模型

跨中取主梁跨中截面進(jìn)行檢算，縱向取1.0m寬度，虛擬支座位于腹板中心底板下，計(jì)算模型如圖5。

支點(diǎn)取主梁支點(diǎn)截面進(jìn)行檢算，根據(jù)槽形梁尺寸，縱向取1.5m寬度，支座位于腹板邊緣內(nèi)側(cè)0.75m處，計(jì)算模型如圖6。

4.2.2 荷載及分布

自重：主梁采用C55混凝土，容重取26.0kN/m3，梁上部三角混凝土保護(hù)層按三角形荷載施加。

二期恒載：根據(jù)梁截面形式，軌底至梁底板頂為0.65m，經(jīng)過(guò)計(jì)算，二期恒載為13.70kN/m。

活載：根據(jù)基本規(guī)范，本次設(shè)計(jì)活載采用中-活載特載。沖擊系數(shù)采用計(jì)算跨度L=10.80m，得動(dòng)力系數(shù)：1+μ=1.21。故列車荷載在底板頂面產(chǎn)生的活載大小為：58.09kN/m，分布在道碴槽范圍內(nèi)。

4.3 計(jì)算結(jié)果整理

經(jīng)過(guò)槽形梁縱向、跨中橫向、支座處橫向三種模型計(jì)算分析，得出應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后，可知該設(shè)計(jì)可以滿足施工及使用功能。由上述表格可見(jiàn)，各種工況下混凝土正應(yīng)力、截面正截面強(qiáng)度安全系數(shù)、截面抗裂安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

梁?jiǎn)卧治鰧?duì)于控制縱向設(shè)計(jì)是完全可行的，但也有一定的局限性，比如無(wú)法考慮結(jié)構(gòu)橫向影響、荷載作用點(diǎn)的下移、兩道腹板的斜彎曲以及縱橫向之間的連接。

由于槽形梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力不如箱梁、T梁，目前這方面的理論研究較少且不夠成熟，工程實(shí)例不多，在正常項(xiàng)目中較少使用。因此仍需進(jìn)一步研究探索。

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