滬通鐵路(80+108+80)m連續(xù)槽形梁方案研究

李喜平，嚴愛國，張池權(quán)，陳佳賓

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

預應(yīng)力混凝土槽形梁是一種下承式橋梁結(jié)構(gòu)形式，底板作為行車道板，主梁腹板作為主要受力構(gòu)件，與上承式橋梁相比，可大大降低自橋面至梁底的高度，當橋下凈空受限制時，能有效地降低結(jié)構(gòu)線路的高程［1]。

最早的預應(yīng)力混凝土槽形梁是1952年建造的英國羅什爾漢橋，跨度48.6 m。此后日本、前蘇聯(lián)為適應(yīng)立交的發(fā)展，對槽形梁做了大量的研究試驗工作，建造了多座簡支、連續(xù)槽形梁，并分別做了槽形梁的標準設(shè)計［2-3]，特別是日本高速鐵路新干線中，因建筑高度限制也在多處立交中采用此種梁型，最大跨度61.4 m，斜交23°7'。瑞士里茲跨隆河公路橋，采用變高度槽形梁，跨度達到143 m。在軌道交通工程中法國的里爾建造了雙線跨度50 m的預應(yīng)力槽形梁;智利的圣地亞哥地鐵5號線已建成雙線槽形梁，并運行多年情況良好。

國內(nèi)槽形梁的應(yīng)用較晚，我國學者對槽形梁的設(shè)計理論做了大量的研究并且已經(jīng)應(yīng)用于工程實踐。在鐵路上已有不少應(yīng)用，例如北京鐵路樞紐雙橋編組站內(nèi)的為京秦線跨越京承線而設(shè)的2孔跨度為24 m的單線槽形梁、京承線雙懷段懷柔車站附近的為跨越京豐公路而設(shè)的1孔跨度為20 m的雙線槽形梁、天津南倉疏解工程京山特大橋使用的跨度32 m槽形梁、浙贛復線江西弋陽葛水河的跨度為(25+40+25)m的單線槽形連續(xù)梁，以及銅九線上跨318國道的(40+64+40)m單線槽形連續(xù)梁［4]，在朔黃鐵路、蘭新鐵路第二雙線等也有應(yīng)用［5-6]。

2 工程概況

滬通鐵路趙家溝特大橋處于上海市浦東新區(qū)鏡內(nèi)，橋址處為密集居民區(qū)，從楊園新村小區(qū)邊通過需采用半封閉式聲屏障，依次跨越趙高路、高橋港、新龍路。高橋港為上海市一級河道，河面寬44.5 m、河底寬20 m、河底高程-1.5 m，與鐵路交角21°，要求橋墩不得進入河道底寬范圍。河道兩岸分別為趙高路和新龍路。趙高路正寬9.5 m，與鐵路交角18°。新龍路紅線寬12 m，與鐵路交角23°。受通航凈空和線路高度的影響，結(jié)構(gòu)高度受到限制，設(shè)計擬采用(80+108+80)m槽形連續(xù)梁方案，兩個邊跨分別跨越趙高路和新龍路，中跨跨越高橋港，軌道設(shè)置在槽形梁的底板上，結(jié)構(gòu)高度小，既可以滿足結(jié)構(gòu)高度的要求，槽形梁的腹板又可以兼做聲屏障，具有良好的景觀效果，見圖1。

圖1 橋梁效果圖

3 主要技術(shù)標準

(1)設(shè)計速度:設(shè)計最高運行速度200 km/h。

(2)線路情況:雙線，曲線，正線線間距為5.1 m，曲線半徑1960 m。

(3)環(huán)境類別及作用等級:一般大氣條件下無防護措施的地面結(jié)構(gòu)，環(huán)境類別為碳化環(huán)境，作用等級為T2級。

(4)設(shè)計使用年限:正常使用條件下梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命為100年。

(5)軌道:橋上采用有砟軌道。

(6)列車活載:采用“中-活載”;溫度荷載:設(shè)計合龍溫度取15～25℃，均勻溫差按升降溫20℃;基礎(chǔ)不均勻沉降:相鄰兩支點不均勻沉降差不大于2.0 cm。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋梁孔跨布置為 (80+108+80)m，預應(yīng)力混凝土槽形連續(xù)梁，全長269.6 m(含兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.8 m)。

橋面橫向布置:1.8 m(人行道板)+0.25 m(擋砟墻)+2.2 m+5.1 m(線間距)+2.2 m+0.25 m(擋砟墻)+1.8(人行道)。擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬8.8 m;單側(cè)人行道寬度為1.8 m，中支座處為0.8 m，邊支座和中跨中處為1.3 m。如圖2所示。

圖2 橋面橫向布置(單位:cm)

4.1 主梁構(gòu)造

梁體采用 C55混凝土，fc=37.0 MPa，fct=3.30 MPa，Ec=3.60×104MPa，梁體為等高度槽形梁，腹板帶有大圓孔，總高11 m。梁截面內(nèi)、外輪廓為圓弧形，其上方最大寬10.496 m，下方為14.7 m，梁體中間最寬處為15.12 m。圓孔直徑4 m，中心距為8 m。腹板厚度一般為0.7 m，中支座處加厚為1.7 m，邊支座和中跨中處加厚為1.2 m;底板厚度一般為0.7 m，邊支座和中支座處均加厚為1.2 m;上部翼緣厚度為0.6～1.545 m。頂部設(shè)有橫撐，橫撐一般寬1.0 m，高0.6 m，中心距8 m;支座處橫撐寬2 m，高0.8 m，邊支座處相鄰的兩個橫撐凈距8.3 m，中支座處相鄰的兩個橫撐凈距5 m。梁體立面布置如圖3所示。

圖3 1/2梁體立面布置(單位:m)

主梁采用三向預應(yīng)力，縱向、橫向預應(yīng)力采用低松弛高強度鋼絞線，產(chǎn)品符合GB/T5224-2003的標準，標準強度fpk=1 860 MPa、公稱直徑15.2 mm、公稱截面積140 mm2;Ep=1.95×105MPa;采用夾片錨錨固體系，制孔采用金屬波紋管。豎向預應(yīng)力采用φ32 mm預應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋，型號為PSB830，產(chǎn)品符合GB/T20065—2006標準。

主梁混凝土用量8 769 m3，縱向預應(yīng)力筋用量356.5 t。

4.2 平面分析

主梁縱向計算分析采用橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS4.2.3，對施工、運營階段進行了模擬計算。計算過程考慮了:梁體自重、二期恒載、預應(yīng)力、施工臨時荷載、活載、支座不均勻沉降、均勻升降溫等，并考慮了施工過程中體系轉(zhuǎn)換的影響、混凝土收縮徐變及預應(yīng)力損失的影響。主梁主要計算結(jié)果見表1，各項指標均滿足規(guī)范要求。

主梁最大靜活載撓度:-8.5 mm，為跨度的1/12 705;梁端最大靜活載豎向轉(zhuǎn)角:0.197‰。可見梁體剛度較大，滿足規(guī)范要求。軌道鋪設(shè)完成后主梁的豎向殘余徐變變形為-4 mm，主梁成橋10年后恒載豎向位移為-9 mm。主梁支座反力計算結(jié)果見表2。

表1 主梁主要計算結(jié)果

表2 主梁支座反力計算結(jié)果kN

梁部橫向計算采用橋梁博士3.1.0，順橋向長度取1.0 m的梁段，模擬為支撐于腹板中心線下緣的U形結(jié)構(gòu)進行計算，計算荷載包括自重、二期恒載、預應(yīng)力、溫度、收縮徐變等。計算結(jié)果表明，橫向計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.3 空間分析［7]

通過midasFEA建立空間模型分析，用實體單元模擬混凝土，用鋼筋單元模擬預應(yīng)力鋼筋，荷載效應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的自重、二恒、收縮徐變、列車活載。有限元模型見圖4。

圖4 全橋有限元模型

圖5 中支點處截面等效應(yīng)力圖

限于篇幅，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，本文僅給出中支點處截面、主跨跨中截面、以及中支點附近梁段的部分計算結(jié)果。中支點處截面等效應(yīng)力見圖5，此處截面頂部有橫撐，腹板局部進行了加厚，從圖5中可以看出腹板下方支座處局部應(yīng)力較大，最大值33.2 MPa;同時可以看到腹板與頂板交界附近應(yīng)力也相對較大，為14.33～23.81 MPa，其余部分應(yīng)力不大，分布均勻，為4.84～9.59 MPa。

主跨跨中截面等效應(yīng)力見圖6，此處截面頂部沒有橫撐，可以看出截面應(yīng)力比較均勻，最大應(yīng)力為9.97 MPa，最小應(yīng)力為4.85 MPa。

圖6 主跨跨中截面等效應(yīng)力圖

中支點附近梁段(中支點兩側(cè)各30 m)等效應(yīng)力見圖7，可以看出中支點兩端14 m處腹板與頂板、底板交接處應(yīng)力都比較大，局部最大約為24.07 MPa，這是因為此處為施工分段處，預應(yīng)力索局部錨固效應(yīng)引起的;腹板大圓孔由于局部截面削弱，圓孔邊緣應(yīng)力較大，局部最大約為19.35 MPa。

圖7 中支點附近梁段等效應(yīng)力

空間分析計算結(jié)果表明，槽形梁整體受力合理，都能滿足混凝土的強度要求。

4.4 自振特性分析

自振特性分析計算軟件采用Midas，模擬結(jié)構(gòu)實際約束情況，2個邊墩、1個中墩均采用1個多項活動支座+1個橫向固定縱向活動支座，另一個中墩采用1個固定支座+1個橫向活動縱向固定支座。通過計算，第1階振幅為1階豎向彎曲，自振頻率為4.704 Hz，第 2階振幅為 2階豎向彎曲，自振頻率為7.265 Hz。

5 結(jié)語

預應(yīng)力混凝土槽形梁在橫向是一個開口U形結(jié)構(gòu)，空間效應(yīng)明顯，不能僅做平面分析，還必須做空間分析［2]。該結(jié)構(gòu)形式，相對于箱形截面，抗扭剛度小，設(shè)計時應(yīng)該引起注意，在梁頂應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置橫梁，可以增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。在支點附近，由于凈空的限制，不能像箱形截面一樣設(shè)置橫隔板，為了將梁體荷載傳遞給支座，避免局部應(yīng)力較大，可以采取適當加厚腹板和底板的措施。

預應(yīng)力混凝土槽形梁，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況，跨中截面的腹板高度可為支點處的0.5～0.66倍，采用變高度梁布置是經(jīng)濟的方式。本項目采用等高度梁，主要是考慮梁體的美觀，更好地與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，同時通過在腹板上設(shè)置圓洞，達到變高度梁節(jié)省材料的效果，取得良好的景觀和經(jīng)濟效應(yīng)。

［1]胡匡璋，江新元，陸光閭.槽形梁［M].北京:中國鐵道出版社，1987.

［2]Javier Manterola Armisen，Antonio Martinez Cutills.High Speed Railway Bridge over the Ebro River，Spain［J].St ructural Engineering International，2003(3):174-176.

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［8]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S].北京:中國鐵道出版社，2005.

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