鏤空腹板鐵路槽形梁設(shè)計研究

　　摘要：東勝—鄂爾多斯機場城際鐵路烏蘭木倫河特大橋跨陽光瀑布工程設(shè)計方案擬采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，截面形式為槽形梁，腹板鏤空處理，結(jié)構(gòu)頂面設(shè)置橫向連接。橋梁結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識與當(dāng)?shù)孛褡逄厣�進行概念設(shè)計，根據(jù)受力擬定截面及結(jié)構(gòu)尺寸，基于ABAQUS建立精細化實體單元模型，分析結(jié)構(gòu)整體受力情況，研究腹板鏤空對結(jié)構(gòu)受力影響，連接肋尺寸、支座中心距和施工順序?qū)�頂板連接肋受力影響等。研究結(jié)果表明：縱向應(yīng)力分布均勻連續(xù)、計算結(jié)果滿足規(guī)范要求;頂板連接肋中支點處受力較大，主要由恒載產(chǎn)生，調(diào)整施工工序可降低其應(yīng)力值;腹板鏤空尺寸較大，應(yīng)力集中明顯，對截面整體縱向應(yīng)力分布連續(xù)性影響較小。

　　關(guān)鍵詞：鐵路橋;槽形梁;連續(xù)梁;預(yù)應(yīng)力混凝土;鏤空腹板;結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　引言槽形梁是下承式梁，一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，截面由底板、腹板組成，為開口結(jié)構(gòu)。主要特點是梁底板作為主要支撐軌道和列車的結(jié)構(gòu)，底板和腹板共同受力[1]。半穿式鏤空腹板槽形梁一種新穎的結(jié)構(gòu)型式。除了具備槽形梁的特點外，結(jié)構(gòu)頂部橫向部分連接，整體結(jié)構(gòu)為穿越式，頂部未完全封閉，又稱為半穿式。為增加結(jié)構(gòu)整體剛度和抗扭性能，結(jié)構(gòu)底為箱梁結(jié)構(gòu)，車輛走行于箱梁結(jié)構(gòu)之上。

　　腹板采用鏤空處理，有別于普通箱梁的通風(fēng)孔，腹板鏤空面積較大，其造型可根據(jù)當(dāng)?shù)靥厣�進行設(shè)計，代表一定的寓意。鏤空腹板槽形梁目前應(yīng)用到鐵路的工程只有西班牙高速鐵路上跨Ebro河橋。本文依托東勝—鄂爾多斯機場城際鐵路烏蘭木倫河特大橋跨陽光瀑布工程進行研究。陽光瀑布工程位于烏蘭木倫河南岸，為鄂爾多斯市重點打造的景觀工程之一，位于柳溝河橋南側(cè)，距離柳溝河橋約18m。

　　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

　　(1)鐵路類別：城際鐵路。(2)正線數(shù)目：雙線。(3)線間距：4.2m。(4)設(shè)計行車速度：160km/h。(5)軌道結(jié)構(gòu)：有砟軌道。(6)設(shè)計活載：ZC活載(0.6UIC)。

　　1結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

　　結(jié)構(gòu)概念設(shè)計從縱立面、橫截面形式和景觀效果三方面展開。

　　1.1縱向設(shè)計

　　本橋跨越跨烏蘭木倫河陽光瀑布，綜合周邊環(huán)境及景觀效果，擬采用跨度(50+80+50)m梁橋方案，根據(jù)力學(xué)知識梁(垂直于軸線受力的細長桿件)縱向是以受彎為主的結(jié)構(gòu)，矩形截面抗彎能力與截面高度的三次方成正比，即距離中心軸越遠的材料其抗彎貢獻越大，靠近截面形心鏤空對截面抗彎能力影響不大，但可減輕自重荷載。

　　桁架是實腹板的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后僅保留受力較大構(gòu)件，優(yōu)化掉中性軸附近對剛度貢獻小的材料，其上下弦桿多為受拉桿，且應(yīng)力集度大，故桁架宜選用高強度鋼材，考慮經(jīng)濟性和后期運營維護等因素， 本橋選用混凝土材料，而混凝土無法滿足桁架結(jié)構(gòu)受力要求，于是在實腹板與桁架之間折中設(shè)計了鏤空腹板。采用鏤空腹板在減輕自重的同時減少預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量和支座規(guī)格。腹板根據(jù)需要可現(xiàn)澆或預(yù)制。鏤空位置、大小和形狀綜合考慮受力、景觀、預(yù)應(yīng)力鋼束的布置等多種因素5]。

　　1.2橫向設(shè)計

　　本橋為雙線城際鐵路橋，線間距4.2m，橫向跨度小，結(jié)構(gòu)所受橫向力遠小于縱向力，故橫截面設(shè)計應(yīng)以縱向抗彎為主，根據(jù)上述討論，宜采用空心截面，常用混凝土空心截面橋式有箱形和槽形，箱形梁頂、底板抗彎、腹板抗剪，槽形梁沒有頂板，屬下承式結(jié)構(gòu)，底板與腹板協(xié)同抵抗彎剪，兩者均能滿足縱向受力要求，槽形梁視覺效果通透，更具景觀性[6]。

　　從橫向受力分析，截面以扭、剪為主，槽形截面由于缺少頂板，在扭矩作用下，截面無法協(xié)同變形，加之腹板壁較薄，易產(chǎn)生畸變，剪力滯明顯[8]，導(dǎo)致底板、腹板連接處局部受力過大。橫截面設(shè)計以縱向抗彎為主，橫向抗扭為輔，兼顧景觀，綜合考慮后選定半穿式槽形梁，這一新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)槽形梁不同的是，結(jié)構(gòu)斷面頂部有部分橫向連接，未完全封閉，保持景觀通透效果同時增強結(jié)構(gòu)抗扭性能和整體穩(wěn)定性[9]。

　　1.3景觀設(shè)計

　　遼闊的草原是蒙古民族縱馬征戰(zhàn)和自由放牧的大舞臺，蒙古包是游牧民族的居舍，它伴隨著蒙古民族走過了漫長的年代。蒙古人經(jīng)過長久的實踐，把氈包的各個部件用精巧的工藝制作出來，使它有著獨特的美感。遠看，它像草原上一顆潔白的珍珠。近看，氈包上的花紋更加清晰美麗。蒙古族的吉祥圖案，寄托了人們對鴻福、長壽、吉祥、喜慶等美好的愿望。故主推方案將氈包圖案融入到梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，把美好的祝愿通過橋梁帶給鄂爾多斯人民。

　　2結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　2.1主梁構(gòu)造

　　跨越陽光瀑布工程采用(50+80+50)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，梁全長為190m，計算跨度為(49.25+80+49.25)，邊支座中心距離梁端0.75m，梁體主體結(jié)構(gòu)之外設(shè)5m長變高段，使得橋梁整體線條流暢，動感性強。變高段與頂板用R=5m圓弧過渡，與底板夾角為48°。

　　梁體截面等高設(shè)置，邊支點處底板局部加高。梁體兩側(cè)腹板上設(shè)蒙古包樣鏤空，縱向間距5m，沿梁體中心線對稱布置，全梁共設(shè)鏤空32個。鏤空距底板2.5m，鏤空處縱向長6m，高1.5m，頂部圓弧半徑為3.497m。頂部橫向連接肋每隔5m設(shè)置道，寬度為0.7m，中支點處局部加寬為3m。全梁設(shè)個支座，每個支點處對應(yīng)兩個支座，邊支點支座橫向中心距為6m，中支點支座橫向中心距為5.4m。

　　結(jié)構(gòu)截面高10，橋面以上梁高8.15，橋面以下箱梁梁高1.85，梁體腹板下部最小寬度為12.355�？缰卸胃拱搴�0.45，中支點兩側(cè)各9m范圍內(nèi)，加寬為0.75m。內(nèi)側(cè)腹板與頂板用R=2m的圓弧倒角，外側(cè)腹板與頂板采用R=1.2m圓弧過渡，頂板厚度為0.55m。在梁端腹板沿斜向切角并用半徑R=5圓弧過渡。梁體下部箱梁頂板厚0.25，底板厚0.32m，在中支點兩側(cè)各范圍內(nèi)底板厚度為0.5。

　　箱梁腹板厚度與梁體上部腹板厚度保持一致。底板和腹板相接處設(shè)置300mm300mm的倒角，頂板和腹板相接處設(shè)置200mm200mm的倒角，中支點和邊支點處設(shè)置橫隔板。主梁結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，梁部除縱向預(yù)應(yīng)力筋外，在支點橫梁處設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋，在實腹板處設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋。縱向及橫向預(yù)應(yīng)力筋采用高強鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用Φ32mm精軋螺紋粗鋼筋。

　　2.2預(yù)應(yīng)力體系及布置

　　鋼絞線采用符合GB/T52242014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的高強度低松弛Φ15.20mm鋼絞線，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，彈性模量E=1.9510MPa[10]。

　　2.3橋墩及基礎(chǔ)主橋兩中墩采用花瓶式橋墩，墩頂縱向3.4m，墩底縱向3m，墩頂寬14.6m，墩底寬7m。主橋兩側(cè)邊墩形式與簡支梁橋墩形式保持一致。主橋中墩基礎(chǔ)采用16根Φ1.5m摩擦樁，邊墩基礎(chǔ)采用10根Φ1.25m摩擦樁。

　　3結(jié)構(gòu)受力分析

　　利用上述模型計算結(jié)構(gòu)在自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、活載、恒活荷載作用下結(jié)構(gòu)剛度及受力情況，主要計算結(jié)果如表所示。活載作用下，最大靜活載位移為9.53mm，最大梁端轉(zhuǎn)角為0.10‰，均滿足規(guī)范要求。運營階段，中跨跨中下緣最小壓應(yīng)力為1.89M，中支點下緣最大壓應(yīng)力為9.81M，上緣出現(xiàn)4.49M的拉應(yīng)力。結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸和預(yù)應(yīng)力布置較為合理，能夠滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

　　考慮到腹板及頂板有鏤空設(shè)計，截面形狀突變易造成應(yīng)力擾動，產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷與破壞風(fēng)險增大。腹板與頂板受力情況是結(jié)構(gòu)研究重點關(guān)注的項目[17]，分別顯示其主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力分布情況。可以看到最大拉應(yīng)力已達20.51MPa，發(fā)生在中支點處腹板鏤空上角點，此處承受較大負彎矩，腹板上緣受拉，鏤空角點應(yīng)力集度劇增，為防止混凝土開裂，此處除通過預(yù)應(yīng)力抵消拉應(yīng)力外，還應(yīng)進行倒角等構(gòu)造處理，配置防裂鋼筋[1。

　　鐵路論文范例：鐵路鋪架施工技術(shù)管理要點

　　4結(jié)語

　　通過對鏤空腹板槽形梁的分析研究，得到以下結(jié)論和建議。

　　(1)結(jié)構(gòu)受力連續(xù)，整體性穩(wěn)定性較好，在恒載和活載作用下，結(jié)構(gòu)位移和剛度能夠滿足受力要求。截面上、下緣應(yīng)力分布連續(xù)，滿足設(shè)計規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)本身特性能夠滿足實際工程需要。(2)頂板連接肋最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中支點頂，其大小受自重和二期恒載控制，活載產(chǎn)生的應(yīng)力占比較小�？梢匝芯空{(diào)整施工次序來控制自重作用下的應(yīng)力值。(3)鏤空尺寸較大，對截面局部削弱明顯，但截面應(yīng)力變化并不明顯，且受力連續(xù)。對于整體結(jié)構(gòu)，鏤空腹板影響較小，可研究鏤空位置對結(jié)構(gòu)的影響，重點研究中性軸位置對截面受力影響的變化。(4)由于結(jié)構(gòu)采用等高設(shè)計，結(jié)構(gòu)高度受限界控制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重占比較大，自重和二期恒載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和位移是活載的倍左右�？煽紤]采用鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)的可能性，減小結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的應(yīng)力。同時研究探討在此高度條件下合理跨度。

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　　作者：張付賓，宋元印

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