预应力混凝土槽形梁结构选型及设计

张祺伟

摘  要：文章主要介绍槽形梁结构特点及选型。并以双线槽形梁为例，论述普通铁路槽形梁结构设计，提出设计过程中需要注意的问题，并为设计者提供思路。

关键词：预应力;槽形梁;结构分析

中图分类号：U448.13       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0084-03

Abstract： This paper mainly introduces the structural characteristics and selection of groove beam. Taking the double-line groove beam as an example， this paper discusses the structural design of ordinary railway groove beam， puts forward the problems needing attention in the design process， and provides ideas for designers.

Keywords： prestress; groove beam; structural analysis

1 概述

槽形梁是一種下承式桥梁，适用于铁路桥、公路桥及城市高架桥，受线路纵段及线下净空限制，目前在国际上应用较多。我国在铁路和公路桥梁上也有此种工程实例。

2 结构特点及选型

槽形梁是适合于轨道交通的一种优秀、新型的桥梁结构型式：

（1）有效建筑高度低：道床板可控制在0.35～0.50m左右，较一般混凝土T梁降低2.0m左右。在轨道交通中应用较为普遍，对降低车站及区间建筑高度效果显著。

（2）降噪效果好：车辆行驶过程中噪声收到两侧主梁腹板的阻隔，在一定程度上降低噪声干扰。相对箱梁，槽形梁无箱体共鸣噪声。

（3）断面空间利用率高：梁上翼缘可兼做检修疏散通道、设置声屏障，下部空间可布置通信、信号、电力电缆等管线并设置行人通道。

（4）行车安全：两侧主梁可防止列车脱线，兼做护轮轨的作用，给行车安全提供了可靠的保证。

（5）外观美观、视觉效果好：槽形梁不但本身梁体外型优美，而且主梁上翼缘和腹板遮挡了外观较差的桥面系及车辆走行系统， 只露出整洁、美观的上部车体;在城市轨道交通中，若采用三轨供电系统，则景观效果更佳。

槽形梁主要由主梁、道床板和端横梁组成，外部荷载通过道床板传给主梁再传给端横梁，最后传至支座的途径。当跨度足够大时，扭转效应将会加剧，这时更倾向于使用箱型截面主梁来增加结构的抗扭刚度。

根据不同的主梁形式，槽形梁截面形式分为三种，即直墙式、斜墙式、箱式。

直墙式槽形梁抗扭刚度较小主要用于跨度不大的单线铁路上，且主梁上部翼缘可为附属设置的布设提供较大空间。斜墙式槽形梁梁底宽度较小，支座容易布置，减少工程量，增强景观效果。箱式槽形梁抗扭刚度较大，主要用于跨度较大情况。箱内可布置附属设施和维修养护通道，但自重大，支座横向布置及预制施工困难。

3 结构尺寸及设计参数

本槽形梁位于锦阜高铁路DK26处，由于本桥需跨越既有铁路，需采用下承式梁型，初步方案选定槽型梁及下承式钢桁梁。下承式钢桁梁具有跨越能力强、结构受力合理、工期短、技术成熟等优点，但造价高，后期维护工作量大。考虑到本桥前后顺接均为32m预应力混凝土简支T梁，故本桥采用32m等高度双线槽形梁。

3.1 结构尺寸

主梁全长32.60m，梁端距支座中心各0.70m，计算跨度31.20m。碎石道床，轨底至槽形梁底板底面0.65m，采用满堂支架整体现浇施工。纵向概图，如图1所示。

根据槽形梁的受力特点，主梁设计主要取决于纵向受力。道床板厚度由横向跨度控制。经过试算及优化，槽形梁截面如下：梁底宽11.58m，梁上口净宽为9.60m（考虑曲线加宽及超高预留20cm）。跨中截面高350cm，底板厚75cm，腹板厚60cm，腹板下缘马蹄形宽20.5cm，高85.0cm，支点截面梁高400cm，底板厚125.0cm，腹板厚78.5cm，梁截面形式如图2所示。

3.2 主要材料及设计参数

3.2.1 混凝土

本次设计槽形梁采用C55混凝土，弹性模量为3.60×104MPa，泊松比0.2，轴心抗压强度为37.0MPa，轴心抗拉强度为3.30MPa。

3.2.2 梁体采用纵横两向预应力体系

纵向预应力钢束采用15-7φ5（腹板）及9-7φ5（底板）标准钢束，管道成形采用内径为90mm和80mm钢波纹管。横向采用13-7φ5（支点）及7-7φ5（底板、支点）标准钢束，管道成形采用内径为90mm和70mm钢波纹管。除底板一般段单端交替张拉外，其余钢束均两端张拉，并采用张拉控制应力和伸长量双控，严格控制预应力张拉质量。

预应力钢绞线：弹性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，松驰系数ζ=0.3，钢筋与管道壁之间的摩擦系数μ取0.26;每米管道对其设计位置的偏差系数k取0.003，锚头变形、钢筋回缩（考虑反摩阻）△L取6mm。其它预应力损失按照《铁路桥涵钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）规定计算。

3.3 荷载及其荷载组合

3.3.1 恒载

梁体自重：γ=26.00kN/m3

二期恒载：包括碎石道碴、桥上挡碴墙、电缆槽、人行道栏杆及步道等，经计算，按150.00kN/m计算。

3.3.2 列车荷载

根据基本规范，本次设计活载采用中-活载，并考虑1.14的冲击系数。冲击系数采用计算跨度L=31.20m：由取1.4，得动力系数：1+μ=1.14。

3.3.3 离心力

根据《铁路桥涵设计基本规范》4.3.6，离心力对集中荷载为20.79kN/m，对均布荷载为8.69kN/m，水平向外作用于轨顶2.0m处。

3.3.4 摇摆力

取值100kN，作为一个集中力作用于梁体最不利位置。

3.3.5 制动力

按竖向静活载的10%计算，但当与离心力或列車竖向动力作用同时计算时，制动力或牵引力按列车竖向静活载的7%计算。

3.3.6 风力

根据《铁路桥涵设计基本规范》4.4.1进行计算，按桥上有车、桥上无车两种工况包络取最大值。

3.3.7 特殊荷载

施工荷载：由于临近孔跨为标准32mT梁，需考虑架桥机荷载。本次设计架桥机采用TJ160型，对结构进行施工荷载计算。

地震力：地震基本烈度6度，地震动峰值加速度0.05g，按铁路工程抗震设计规范进行抗震设计并采取相应的抗震措施。

2.3.8 荷载组合

根据《铁路桥涵设计基本规范》4.1.1，荷载组合分别以主力，主力+附加力进行组合，取最不利组合设计，同时考虑架桥机荷载进行验算。

4 结构设计

根据简支梁具体情况，本次设计采用Midas Civil 有限元软件进行平面杆系分析。

4.1 槽形梁纵向计算

按照槽形梁截面特点，对全梁进行单元划分，并采用有限元软件进行计算分析。计算模型如图3。

将上述荷载按位置施加于纵向模型，计算后按《铁路桥涵设计基本规范》进行荷载组合，查看不同工况下梁单元的应力。依此进行钢束设计并调整后，得出钢束布置及数量。纵向钢束布置如图4。

4.2 槽形梁横向计算

4.2.1 计算模型

跨中取主梁跨中截面进行检算，纵向取1.0m宽度，虚拟支座位于腹板中心底板下，计算模型如图5。

支点取主梁支点截面进行检算，根据槽形梁尺寸，纵向取1.5m宽度，支座位于腹板边缘内侧0.75m处，计算模型如图6。

4.2.2 荷载及分布

自重：主梁采用C55混凝土，容重取26.0kN/m3，梁上部三角混凝土保护层按三角形荷载施加。

二期恒载：根据梁截面形式，轨底至梁底板顶为0.65m，经过计算，二期恒载为13.70kN/m。

活载：根据基本规范，本次设计活载采用中-活载特载。冲击系数采用计算跨度L=10.80m，得动力系数：1+μ=1.21。故列车荷载在底板顶面产生的活载大小为：58.09kN/m，分布在道碴槽范围内。

4.3 计算结果整理

经过槽形梁纵向、跨中横向、支座处横向三种模型计算分析，得出应力计算结果如表1所示。

5 结束语

通过计算并对计算结果进行分析后，可知该设计可以满足施工及使用功能。由上述表格可见，各种工况下混凝土正应力、截面正截面强度安全系数、截面抗裂安全系数均能满足规范要求。

梁单元分析对于控制纵向设计是完全可行的，但也有一定的局限性，比如无法考虑结构横向影响、荷载作用点的下移、两道腹板的斜弯曲以及纵横向之间的连接。

由于槽形梁结构复杂，受力不如箱梁、T梁，目前这方面的理论研究较少且不够成熟，工程实例不多，在正常项目中较少使用。因此仍需进一步研究探索。

参考文献：

[1]胡匡章，江新元，陆光闾.槽形梁[M].北京：人民铁道出版社，1987.

[2]铁道部.铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）[S].北京：人民铁道出版社.

[3]铁道部.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB

10002.3-2005）[S].北京：人民铁道出版社.

[4]林文泉.槽形梁桥在城市轨道交通中的应用探讨[D].北京交通大学.