无砟轨道单线预应力混凝土斜腿刚构桥结构分析

张金芝

1 概述

孤山大桥为两座单线、无砟桥梁，桥高约55 m，左右线距离35 m。桥梁位于直线上，纵坡i=13.4‰。设计速度为客运250 km/h，货运120 km/h。桥梁桥式采用(42.5+60+42.5)m的两座单线、无砟预应力混凝土斜腿刚构桥。为确保桥上轨道的高平顺性和高稳定性，以及列车运行的安全性、舒适性，要求桥梁刚度大，变形小。全桥立面布置见图1。采用斜腿先进行竖向施工、而后转体，依靠背索平衡进行悬臂浇筑的施工工艺，这样既最大限度的降低了施工对314省道的正常通行的影响，也避免了在大峡谷上搭设大跨度施工辅助支架的施工风险。

图1 全桥立面布置(单位:cm)

梁部采用单箱单室预应力混凝土结构，边跨端部梁高3.0 m，中跨跨中梁高3.4 m，刚结处梁高4.65 m。梁高变化采用二次抛物线变化。顶板宽8.4 m，厚0.30 m;底板宽3.8 m，厚0.25～0.65 m;一般段腹板厚0.5 m，中支点处厚0.70 m。梁部横断面见图2～图4。

图2 中跨中梁部截面(单位:cm)

图3 边跨端部梁部截面(单位:cm)

图4 刚结处梁部截面(单位:cm)

斜腿采用钢筋混凝土结构，上部与梁部刚结、下部采用铰接形式与基础联接。斜腿采用箱形截面，纵桥向由5.7 m变化至3.0 m;横桥向底部2.0 m范围宽6.6 m，自底部往上6.0 m以上横桥向3.8 m，中间4.0 m范围宽度线性变化。斜腿立面见图5。

2 施工过程结构分析计算

2.1 有限元模型的建立

采用有限元程序Midas/civil对施工全过程进行结构建模计算分析，计算模型见图6。

2.2 施工阶段划分

根据斜腿刚构桥实际施工过程，进行全桥计算分析时共划分了36个施工阶段，主要施工步骤见图7。

2.3 挠度计算

根据全桥计算结果，得出各阶段挠度曲线见图8。

图5 斜腿截面(单位:cm)

图6 空间计算模型示意

2.4 应力计算

如图9所示，截面1为斜腿与主梁固结处截面，截面2为斜腿跨中截面，截面3为边跨跨中截面，截面4为中跨1/4截面，截面5为中跨跨中截面。选取成桥前后几个工况，给出这5个典型截面的应力，计算结果见表2。

图7 主要施工步骤

图8 全桥各阶段挠度曲线

表2 应力计算结果MPa

图9 应力计算截面示意

计算结果表明，最大施工过程中主梁截面全截面受压，斜腿截面最大应力为4.5 MPa，满足受力要求。

3 运营阶段结构分析计算

3.1 有限元模型的建立

在前述施工阶段模型的基础上增加运营阶段计算分析，运营阶段荷载组合为主力组合、主力+附加力组合，取最不利组合。

3.2 主要计算结果

主力作用下梁部内力及应力见图10～图13，梁部截面上翼缘最大压应力为10.3 MPa，最小压应力为1.94 MPa，下翼缘最大压应力为15.69 MPa，最小压应力为1.87 MPa。

主力+附加力作用下梁部内力及应力见图14～图17，梁部截面上翼缘最大压应力为11.89 MPa，最小压应力为1.42 MPa，下翼缘最大压应力为16.45 MPa，最小压应力为0.86 MPa。

强度计算结果见表3。

表3 强度计算结果

图10 弯矩包络图

图11 剪力包络图

图12 上缘应力包络图

图13 下缘应力包络图

图14 弯矩包络图

图15 剪力包络图

图16 上缘应力包络图

图17 下缘应力包络图

刚度计算结果见表4。

表4 刚度计算结果

4 结束语

90 m预应力混凝土斜腿刚构体系为国内客运专线桥梁建设中首次采用，通过对斜腿刚构施工过程及运营阶段的受力分析，可见斜腿刚构桥式上部结构的受力行为介于连续刚构桥式和拱桥之间，既有墩梁固接的效应也有成拱的受力特点，传力途径明确、简洁，具有良好的动静载受力性能，结构刚度好，能够满足铺设无砟轨道的技术条件要求和客运专线高速行车安全性和舒适性要求，具有较大的跨越能力，斜腿与基础采用铰接的方式较好地实现了永临结合。

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