八百河大桥40m+64m+40m预应力混凝土连续槽形梁设计

程正林

（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，上海市 200433）

1 概述

宁启铁路复线电气化改造Ⅱ标段八百河大桥位于南京市六合区境内。八百河大桥跨越白河，白河为规划Ⅴ级通航河道，两岸接线受现状条件限制无法抬高，因此不得不采用建筑高度相对低的大跨度结构桥梁，采用40 m+64 m+40 m预应力混凝土连续槽形梁比常规预应力混凝土连续梁结构，接线降低2.4 m。另外，采用槽形梁结构断面利用率高、能有效降低噪音、防止车辆出轨及倾覆下落等优点。

2 主要技术标准

（1）活载标准：中活载；

（2）设计时速：200 km/h；

（3）正线数目：双线；

（4）轨道结构：有渣桥面。

3 结构设计

3.1 结构尺寸拟定

梁高：中、边跨跨中梁高4 m，支点点局部位置加厚到4.5 m。

梁宽：槽形梁总宽度11.1 m，底面总宽度为9.8 m，内侧净宽7.5 m。

板厚：道床板厚度为0.6 m，支点处加厚到1.1 m；槽形梁腹板厚度为0.65 m，支点处腹板加厚到0.9 m上翼缘宽度1.8 m；支点，中、边跨跨中及中跨4分点位置设计肋板加劲。槽形梁一般构造详图1、图2。

图1 槽形梁横断面（单位：cm）

3.2 预应力钢束布置

本桥采用三向预应力体系。纵向和横向预应力采用Ⅱ级低松弛钢绞线，产品应符合GB/T5224-2003的标准。标准强度fpk=1 860 MPa，公称直径15.2 mm，公称面积139 mm2，Ep=1.95×105MPa。竖向预应力采用JL25精扎螺纹钢筋fpk=830 MPa，每道腹板设置2列。锚具采用符合国家标准GB/T14370-93《预应力筋用锚具、夹具和连接器》中I类要求的锚具，横向束交错单侧张拉，采用扁锚。孔道采用塑料波纹管，孔道摩阻系数0.17，孔道偏差系数0.001 5。纵向预应力布置见图3。

4 结构分析

4.1 设计荷载

（1）恒载

梁体自重：混凝土容重取26 kN/m3；

二期恒载：包括钢轨、扣件、垫板、道渣、电缆槽、挡渣墙、接触网等，按有渣桥面考虑。

（2）活载

中活载按规范进行加载，静力计算冲击系数：1+μ=1+α×6（/30+L），α=4×（1-h）≤2。

（3）混凝土收缩徐变

图2 槽形梁构造图（半剖面）（单位：cm）

图3 槽形梁纵向预应力图（半剖面）

环境条件按野外一般条件考虑，相对湿度取70%。根据老化理论计算混凝土收缩徐变，系数如下:徐变终极值2.0（混凝土龄期6 d）；徐变增长率0.005 5；收缩速度系数0.006 25；收缩终极值系数0.000 16。

（4）结构温度变化

体系温度：根据南京当地气候，采用±20℃。

梯度温度：顶板升温按20℃考虑，α=7按指数曲线变化。

（5）支座沉降

支座不均匀沉降按1.5 cm。

（6）风力

按照《桥规》第4.4.1条办理，风荷载设计基本风压强度取600 Pa。

（7）横向摇摆力

取100 kN一个集中力作用在最不利位置，以水平方向垂直线路作用于钢轨顶面。

（8）脱轨荷载

按照《桥规》第4.3.11条规定办理。

（9）地震力

按照《铁路工程抗震设计规范》规定计算。

4.2 平面计算

采用同济大学编制的“桥梁博士3.10”和西南交通大学编制的“桥梁结构分析系统BSAS4.23”分别进行计算。计算荷载包括恒载、活载、支座不均匀沉降、温度变化、预应力、混凝土收缩徐变等。桥博和BSAS计算结果非常接近，桥博计算结果如下：

正截面最小应力：槽形梁按全预应力构件设计，全桥未出现拉应力；

主力组合正截面最大应力：σmax=11.22 MPa＜0.5 fc；

主+附组合正截面最大应力：σmax=14.05 MPa＜0.55 fc；

斜截面抗裂计算：主拉应力最大值为-1.91 MPa＜0.55 fc。，满足规范要求；

静活载作用下的挠度值：边跨最大挠度值为2.4 mm

4.3 空间梁板模型计算

为了摸清结构的剪力滞效应，采用TDV RM2006建立空间梁板模型。其中两端箱梁采用梁单元，道床板用板单元，梁、板单元间采用刚臂连接，预应力钢束考虑了竖弯、平弯和空间位置，二期恒载直接加载于道床板上。施工阶段、恒载及荷载组合与桥博模型相同。

根据TDV RM2006的计算结果，主梁的剪力滞系数为：中支点处，上缘σmax/σmin=1.28，下缘σmax/σmin=1.18；跨中处，上缘 σmax/σmin=1.12，下缘σmax/σmin=1.06。

槽形梁于支座处剪力滞效应比较明显，其系数达1.32；跨中处剪力滞效应较弱，与普通梁相差不大。

4.4 空间实体模型计算

为进一步分析槽形梁受力特点，采用大型通用有限元程序ANSYS10.0建立空间实体模型，混凝土采用SOLID65单元模拟，预应力采用LINK8模拟，见图4～图9。

图4 跨中截面纵向应力图

图5 墩顶截面纵向应力图

图6 跨中截面横向应力图

图7 墩顶截面纵向应力图

图8 跨中截面竖向应力图

图9 墩顶截面竖向应力图

空间实体模型计算主要得到如下结论：

（1）与梁板模型计算结果相比，槽形梁顶纵向正应力在跨中、1/4跨部位吻合较好，梁底应力误差小于5%；

（2）在边支点、中支点、槽形梁由于扭转产生明显的畸变、翘曲效应；

（3）在横向预应力作用下，道床板顶、底未出现横向拉应力。仅在中支座倒角部位出现1.5 MPa的拉应力，分布范围较小，且距离表层只有2 cm左右；

（4）槽形梁内剪应力较小，主拉应力小于2 MPa。

4.5 车桥耦合分析

本桥为目前国内较大跨度、列车最高行驶速度的槽形梁，因此对列车通行时的动力性能进行评定尤为重要。

目前大多数车辆-桥梁/轨道耦合振动分析中，系统运动微分方程的建立没有完全计算机化，车辆的运动微分方程通常通过解析方法导出，而桥梁/轨道的运动方程则一般采用有限元方法建立。当车辆结构发生改变时，必须重新推导车辆运动微分方程。本分析采用车桥耦合振动计算程序VBC2.0不但运用有限元方法建立桥梁/轨道模型，而且运用有限元方法建立车辆模型，以便于考虑车辆的多样性和车体的柔性。在有限元模型的基础上，基于模态叠加方法形成车辆子系统和桥梁/轨道子系统的运动微分方程，并采用拟力法将非线性内力处理为虚拟力以实现模态解耦。

主梁采用实体单元模拟，各段梁体间用接触单元连接，桥墩采用梁单元模拟，墩顶建立刚臂单元与支座位置梁底采用耦合自由度方法连接，承台底面基础刚度采用6个方向的弹簧单元模拟，弹簧的劲度系数按m法计算。计算中共对五种列车编组（C62编组、K6新型货车编组、准高速客车编组、中华之星编组、先锋号编组）进行了车桥耦合分析。

车桥耦合分析主要得到如下结论：

（1）桥梁的竖向挠跨比、水平挠度、竖向转角、水平转角均小于规范限值；

（2）当C62货车编组列车以车速50～80 km/h，K6新型货车编组以车速80～120 km/h，准高速客车编组以车速80～240 km/h，中华之星编组以车速160～240 km/h，先锋号编组以车速160～240 km/h通过桥梁时，所有工况下轮种减载率、脱轨系数和Spring指标均满足要求，行车安全性和平稳性满足要求；

（3）客车、货车在设计车速范围内运营时，没有产生共振现象；

（4）梁体基频、桥梁振动竖向加速度、横向加速度和跨中振幅均小于规范限值，桥梁动力响应满足要求。

5 结语

八百河大桥预应力混凝土槽形梁，是目前国内同类结构中跨度较大，列车行车速度较快的桥梁。通过本桥设计得出如下结论：

（1）通过空间分析可以看出，槽形梁道床板及腹板的纵向应力分布比较均匀，采用平面杆系的结果较为可信；

（2）在道床板纵向，边支点端头，出现了较小的拉应力，这是由于槽形梁扭转产生较大的翘曲应力所致。这可通过在边横梁端部设置横向预应力解决；

（3）车桥耦合作用下，墩顶横向振幅较大，接近规范限制。结果显示初拟桥墩尺寸仅考虑静力荷载，按铁路规范线刚度控制稍显不足。

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[2] 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].

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