小半径、大跨度曲线刚构-连续组合箱梁设计研究

臧立秋

(沈阳铁道勘察设计院有限公司,沈阳 110013)

1 工程概况

长春市快速轨道交通轻轨三期工程东大桥站—东新路站区间在K4+330及K4+415处与既有惠工路互通式立交桥交叉,交叉位置线路平曲线半径R=300 m,交叉角度分别为22°及37°,长春地处寒冷地区,冬夏温差大,地震烈度为Ⅶ度,轻轨采用(60+92+60) m刚构-连续组合箱梁桥跨越。

2 梁式方案比选

设计初期提出了钢-混组合梁、连续箱梁、连续刚构、刚构-连续组合箱梁4种梁式方案。钢-混组合梁具有梁高小、结构轻、抗扭性能好的特点,但是由于该桥主跨径92 m且位于半径R=300 m平曲线上,加之温度效应对钢-混组合结构影响大,计算后曲线内外侧应力相差很大,结构受力不合理,且后期钢结构的维护难度大、费用高；连续箱梁梁高相对钢-混组合梁及连续刚构稍高,造成结构自重大,不利于结构抗扭,支座抗扭支撑需特殊设计,大吨位支座数量多,后期更换难度大；大跨度连续刚构桥虽在我国已有很多成功范例,但本桥位于小半径曲线上,桥墩较矮,桥梁处于严寒地带,温度效应作用下,梁的受力类似于平面拱,经计算,结构受力不理想。基于以上问题,提出了刚构-连续组合箱梁的结构形式,此种结构形式兼顾了连续刚构和连续梁的优点,提高了结构抗扭承载力,增强了桥梁的抗震性能,温度作用下梁长方向可自由伸缩,降低了过大的温度附加应力,减少了大吨位支座的数量。本桥刚构-连续组合箱梁具有以下特点：

(1)曲线半径小、跨度大,梁的弯-扭耦合效应明显,受力具有空间性；

(2)曲线预应力钢束的摩阻损失比直线桥大,一次张拉钢束过长,预应力损失严重；

(3)相对于等截面梁,变截面梁趋向于使中墩外侧支座反力减小,内侧支座反力增大,“外梁超载,内梁卸载”[1]的效应会有所减轻,如果跨度较大、曲线半径较小会出现内侧支座反力大于外侧支座反力的现象；

(4)预应力钢束张拉时产生的径向力崩力相对于截面剪切中心的扭矩值不容忽视,对混凝土有崩裂的危险。

3 荷载及荷载组合

3.1 荷载

3.1.1 主力荷载

(1)恒载

恒载包括结构自重、二期恒载、预应力、混凝土收缩徐变及沉降。

(2)活荷载

①设计活载：轻轨荷载如图1所示,重车轴重120 kN,空车轴重80 kN。

图1 轻轨荷载图示(单位：m)

②竖向动力作用,该列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数(1+μ)并考虑0.8折减系数[2],其值为：边跨为1+0.8μ=1.094；中跨为1+0.8μ=1.078 4。

③离心力：其值为列车静活载乘以离心力率C[2-3],作用位置为轨顶以上车辆重心处,该力会对弯梁产生附加扭矩。

式中，v为行车速度；R为曲线半径。

④无缝线路作用力：本联梁范围轨道为短轨区,无缝线路轨道作用力不计。

3.1.2 附加荷载

(1)体系温差：成桥温度10 ℃,体系温差按整体升温+13 ℃,整体降温-27 ℃考虑设计；

(2)温度梯度：铺装之前阶段考虑5.5 ℃升温,2.75 ℃降温；

(3)混凝土收缩、徐变；

(4)沉降：边墩取值-1.0 cm,主墩取值-1.0 cm。

3.1.3 特殊荷载

(1)列车脱轨荷载；

(2)地震作用。

3.2 荷载组合 (表1)

表1 荷载组合

4 桥梁结构模型及计算分析

4.1 桥梁结构

(60+92+60) m刚构-连续组合箱梁,梁体为单箱单室结构,桥面宽度9.3 m,底板宽度5.1 m。一侧中墩为刚构结构,一侧中墩为连续梁结构。刚构支点处梁高5 m,连续梁支点处梁高5.5 m,边跨支点处及跨中梁高均为2.5 m,顶板厚0.35 m,底板由0.35 m渐变至支点处的1 m,腹板宽度由0.6 m渐变至0.8 m,刚构侧设双薄壁墩,墩高6.5 m,宽5.1 m,厚为1.4 m,薄壁墩净距1.2 m,双薄壁墩与梁体固结,连续梁侧中支点及边支点设双活动支座。

4.2 模型建立

本梁体支架现浇施工,计算采用Midas/Civil有限元程序建立桥梁三维空间模型,整体坐标轴定义为：顺桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖直高度方向为Z轴。主梁、墩柱采用梁单元模拟,桩基及承台采用等效截面单元模拟,边界条件采用弹簧模拟,墩梁固结处、墩承台固结处均采用刚性连接,支架采用等刚度弹簧模拟,连续侧墩顶支座采用局部坐标轴模拟,支座按切线布置。为降低一次张拉超长钢束的应力损失,分2个施工阶段,中跨及1/4边跨段为第一施工阶段,剩余两边跨为第二施工阶段,长钢束在分段处采用钢束连接器连接,一次张拉钢束长度最长为122 m,梁体分阶段施工模型见图2、图3。

图2 (60+92+60) m第一施工阶段计算分析模型

图3 (60+92+60) m成桥阶段计算分析模型

4.3 计算分析

4.3.1 计算分析内容

主梁采用C55混凝土,按全预应力构件设计。总体分析计算主要包括施工阶段应力验算,成桥并持荷3年后的主梁应力、强度、刚度及下部结构验算,横梁验算。此外还要考虑风载、地震作用下的墩柱验算，以及支座、伸缩缝、桥面板等构件验算。

4.3.2 主要分析结果

(1)施工阶段梁体顶缘最大压应力为10.5 MPa,梁体底缘最大压应力为12.9 MPa,无拉应力产生,结果满足规范要求。

(2)运营阶段主力+附加力作用下梁体最大主压应力为13.6 MPa,满足规范要求,静活载作用下跨中最大挠度为3.9 cm,梁体竖向刚度为L/2 359，满足规范要求。

(3)经Midas PSC设计,运营阶段设计混凝土压应力,混凝土剪应力,抗裂荷载下混凝土斜截面的主应力,正截面抗裂验算,承载能力极限状态强度验算,预应力钢束的最大拉应力均满足规范要求。

5 施工设计研究

本桥为小半径、大跨度预应力曲线梁,在自重及外荷载作用下会同时产生弯矩和扭矩,并相互影响。预应力钢束的空间布置及列车的离心力作用也会对扭转中心产生扭矩,巨大的扭矩使得梁体曲线内外侧应力及变形存在一定的差异,双支座的反力也不同于一般的直线桥,桥梁时刻处于“弯—剪—扭”耦合作用状态,本桥针对曲线梁的复杂受力状态,设计采取如下措施。

(1)梁高及腹板厚度的设计本着合理调整梁体的弯扭刚度比[4-6]为原则。弯扭刚度比k=EI/GId,对于弯桥,抗弯刚度EI在满足抗弯的前提下应尽量增大其截面的抗扭刚度GId。刚构-连续组合箱梁降低了梁高,减小了梁的纵向抗弯刚度,适当增加了箱梁腹板及顶底板厚度,提高了梁的抗扭刚度。

(2)本桥采取分段现浇的方法,使钢束张拉长度缩短以减小预应力损失,分段处钢束采用钢束连接器连接,曲线长钢束摩阻损失计算时曲线包角θ[7]采用空间包角值[8]β=(θH2+θV2)0.5,本桥较相应直线桥预应力损失增加约8%。

(3)对梁体普通钢筋进行计算,加强了纵向钢筋及箍筋的配置,并按公路钢筋混凝土规范对箱梁截面及纵向钢筋、箍筋进行了复算,满足要求。

(4)扭转效应对支座的布置方式提出了很高的要求,本桥采用一墩刚构其余连续的结构体系,解决了抗扭支撑的问题,并对刚构位置横梁加强了钢筋设置,以防扭矩过大导致横梁开裂,连续墩顶采用球形支座,能充分适应曲梁的纵、横向自由转动和移动的可能性。

(5)增加梁跨横隔梁的设置,除支点位置设置横梁外,中跨增设3道横隔梁,边跨各增设1道横隔梁,提高了梁体整体抗扭刚度及稳定性。

(6)调整顶底板预应力钢束的布置,增加顶板钢束及减少底板钢束可平衡部分扭矩。

(7)张拉腹板钢束的次序应遵循以下原则,竖向位置上先中间后上下,横向位置上先外侧后内侧。

(8)设置预应力钢束防崩钢筋,在后张预应力混凝土连续梁桥中,由于平面曲率半径的影响,具有水平曲率的纵向预应力钢束在张拉过程中产生对腹板混凝土的径向压力会有使腹板崩裂的危险,合理设置一定数量横隔板的同时,需沿预应力束设置防崩钢筋[9-10],孔道中单位长度预应力筋束的最大水平径向压力简化计算为：q=p/R,式中,q为径向力,p为端部控制张拉力。经计算,沿预应力管道设置φ12 mm@30 cm的防崩钢筋满足受力要求,设置方式如图4所示。

(9)抗扭钢筋的设置需做特殊处理,梁底板上下层横向筋、顶板上下层横向筋及腹板箍筋要相互搭接，从而构成1个封闭的抗扭矩形,提高抗扭承载力。

6 结语

分析结果表明,在轻轨荷载作用下,小半径、大跨度曲线梁采用刚构-连续组合体系箱梁合理可行。建议同类曲线桥的设计,结构计算应进行空间受力分析,采用抗扭刚度大的箱形截面并合理选取截面尺寸,合理布置预应力钢束,加强横隔梁的设置,提高纵向普通钢筋及箍筋配筋率,按计算设置腹板及底板防崩钢筋,特殊设置抗扭箍筋,确保桥梁整体受力均衡,应力储备充足。

[1] 周勇,余泽新,张明武.小半径曲线梁桥的设计[J].中外公路,2007,4(2):89-91．

[2] 北京城建设计研究总院.GB50517—2003 地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003．

[3] 铁道第三勘察设计院.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社,2005．

[4] 范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2003．

[5] 邵容光.混凝土弯梁桥[M].北京:人民交通出版社,1996．

[6] 姚玲森.曲线梁[M].北京:人民交通出版社,1989．

[7] 中铁工程设计咨询集团有限公司.TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005．

[8] 刘志文.空间曲线预应力束摩阻损失参数[J].西安公路交通大学学报.2001,7(3):42-44．

[9] 校飞燕,邢亮,张河锦.小半径曲线梁桥设计要点[J].城市道桥与防洪.2010(11):39-40．

[10] 向中富,卞明智,梁甜甜,朱慈祥.曲梁在预应力径向分力作用下的受力分析[J].重庆交通大学学报,2008,12(6)：1009-1013．