镂空腹板铁路槽形梁设计研究

2021-10-14张付宾宋元印

铁道标准设计 2021年11期

张付宾,宋元印

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

槽形梁是下承式梁，一般采用预应力混凝土结构，截面由底板、腹板组成，为开口结构。主要特点是梁底板作为主要支撑轨道和列车的结构，底板和腹板共同受力[1]。

半穿式镂空腹板槽形梁是一种新颖的结构型式。除了具备槽形梁的特点外，结构顶部横向部分连接，整体结构为穿越式，顶部未完全封闭，又称为半穿式。为增加结构整体刚度和抗扭性能，结构底为箱梁结构，车辆走行于箱梁结构之上。腹板采用镂空处理，有别于普通箱梁的通风孔，腹板镂空面积较大，其造型可根据当地特色进行设计，代表一定的寓意。镂空腹板槽形梁目前应用到铁路的工程只有西班牙高速铁路上跨Ebro河桥[2]。

本文依托东胜—鄂尔多斯机场城际铁路乌兰木伦河特大桥跨阳光瀑布工程进行研究。阳光瀑布工程位于乌兰木伦河南岸，为鄂尔多斯市重点打造的景观工程之一，位于柳沟河桥南侧，距离柳沟河桥约18 m，见图1。

图1 阳光瀑布工程

主要技术标准如下。

(1)铁路类别：城际铁路。

(2)正线数目：双线。

(3)线间距：4.2 m。

(4)设计行车速度：160 km/h。

(5)轨道结构：有砟轨道。

(6)设计活载：ZC活载(0.6UIC)。

1 结构概念设计

结构概念设计从纵立面、横截面形式和景观效果三方面展开。

1.1 纵向设计

本桥跨越乌兰木伦河阳光瀑布，综合周边环境及景观效果，拟采用跨度(50+80+50) m梁桥方案，根据力学知识梁(垂直于轴线受力的细长杆件)纵向是以受弯为主的结构，矩形截面抗弯能力与截面高度的3次方成正比，即距离中心轴越远的材料其抗弯贡献越大，靠近截面形心镂空对截面抗弯能力影响不大，但可减轻自重荷载。

立面选型过程如图2所示，桁架是实腹板的拓扑优化结构[3-4]，优化后仅保留受力较大构件，优化掉中性轴附近对刚度贡献小的材料，其上下弦杆多为受拉杆，且应力集度大，故桁架宜选用高强度钢材，考虑经济性和后期运营维护等因素，本桥选用混凝土材料，而混凝土无法满足桁架结构受力要求，于是在实腹板与桁架之间折中设计了镂空腹板。采用镂空腹板在减轻自重的同时减少预应力筋数量和支座规格。腹板根据需要可现浇或预制。镂空位置、大小和形状综合考虑受力、景观、预应力钢束的布置等多种因素[5]。

图2 立面选型推理

1.2 横向设计

本桥为双线城际铁路桥，线间距4.2 m，横向跨度小，结构所受横向力远小于纵向力，故横截面设计应以纵向抗弯为主。根据上述讨论，宜采用空心截面，常用混凝土空心截面桥式有箱形和槽形，箱形梁顶、底板抗弯、腹板抗剪，槽形梁没有顶板，属下承式结构，底板与腹板协同抵抗弯剪，两者均能满足纵向受力要求，槽形梁视觉效果通透，更具景观性[6]。

从横向受力分析，截面以扭、剪为主，槽形截面由于缺少顶板，在扭矩作用下，截面无法协同变形，加之腹板壁较薄，易产生畸变，剪力滞明显[7-8]，导致底板、腹板连接处局部受力过大。

横截面设计以纵向抗弯为主，横向抗扭为辅，兼顾景观，综合考虑后选定半穿式槽形梁，这一新型结构与传统槽形梁不同的是，结构断面顶部有部分横向连接，未完全封闭，保持景观通透效果同时增强结构抗扭性能和整体稳定性[9]。横截面选型过程如图3所示。

图3 横截面选型推理

1.3 景观设计

辽阔的草原是蒙古民族纵马征战和自由放牧的大舞台，蒙古包是游牧民族的居舍，它伴随着蒙古民族走过了漫长的年代。蒙古人经过长久的实践，把毡包的各个部件用精巧的工艺制作出来，使它有着独特的美感。远看，它像草原上一颗洁白的珍珠。近看，毡包上的花纹更加清晰美丽。蒙古族的吉祥图案，寄托了人们对鸿福、长寿、吉祥、喜庆等美好的愿望。故主推方案将毡包图案融入到梁体结构设计中，把美好的祝愿通过桥梁带给鄂尔多斯人民(图4)。

图4 景观设计构思

综合纵向、横向、景观设计，完成桥梁结构概念设计，选定桥型为镂空腹板槽形梁桥，其效果见图5。

图5 镂空腹板槽形梁桥效果图

2 结构设计

2.1 主梁构造

跨越阳光瀑布工程采用(50+80+50) m预应力混凝土连续梁结构，梁全长为190 m，计算跨度为(49.25+80+49.25) m，边支座中心距离梁端0.75 m，梁体主体结构之外设5 m长变高段，使得桥梁整体线条流畅，动感性强。梁体立面设计如图6所示，变高段与顶板用R=5 m圆弧过渡，与底板夹角为48°。梁体截面等高设置，边支点处底板局部加高。梁体两侧腹板上设蒙古包样镂空，纵向间距5 m，沿梁体中心线对称布置，全梁共设镂空32个。镂空距底板2.5 m，镂空处纵向长6 m，高1.5 m，顶部圆弧半径为3.497 m。顶部横向连接肋每隔5 m设置1道，宽度为0.7 m，中支点处局部加宽为3 m。全梁设8个支座，每个支点处对应两个支座，边支点支座横向中心距为6 m，中支点支座横向中心距为5.4 m。

图6 梁体立面轮廓(单位：mm)

结构截面高10 m，桥面以上梁高8.15 m，桥面以下箱梁梁高1.85 m，梁体腹板下部最小宽度为12.355 m。跨中段腹板厚0.45 m，中支点两侧各9 m范围内，加宽为0.75 m。内侧腹板与顶板用R=2 m的圆弧倒角，外侧腹板与顶板采用R=1.2 m圆弧过渡，顶板厚度为0.55 m。在梁端腹板沿斜向切角并用半径R=5 m圆弧过渡，如图7所示。

图7 跨中断面/支点断面(单位：mm)

梁体下部箱梁顶板厚0.25 m，底板厚0.32 m，在中支点两侧各9 m范围内底板厚度为0.5 m。箱梁腹板厚度与梁体上部腹板厚度保持一致。底板和腹板相接处设置300 mm×300 mm的倒角，顶板和腹板相接处设置200 mm×200 mm的倒角，中支点和边支点处设置横隔板。

主梁结构采用C50混凝土，梁部除纵向预应力筋外，在支点横梁处设置横向预应力筋，在实腹板处设置竖向预应力筋。纵向及横向预应力筋采用高强钢绞线，竖向预应力采用φ32 mm精轧螺纹粗钢筋。

2.2 预应力体系及布置

钢绞线采用符合GB/T5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》技术标准的高强度低松弛φ15.20 mm钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa[10]。

预应力钢束由顶板束、底板束和腹板束组成，如图8所示。顶板束布置于顶板与腹板相交处，采用平直束。腹板锚固于腹板内侧或腹板镂空处，钢束采用竖弯和平弯布置。底板束布置于结构底箱梁结构的腹板和底板处，采用竖弯布置。预应力钢束规格采用12-7φ5 mm～24-7φ5 mm。

图8 预应力钢绞线立面布置(单位：mm)

2.3 桥墩及基础

主桥两中墩采用花瓶式桥墩，墩顶纵向3.4 m，墩底纵向3 m，墩顶宽14.6 m，墩底宽7 m。主桥两侧边墩形式与简支梁桥墩形式保持一致。主桥中墩基础采用16根φ1.5 m摩擦桩，边墩基础采用10根φ1.25 m摩擦桩。

2.4 施工方法

本桥施工采用钢管支架+贝雷梁施工方案，钢管柱沿桥梁方向等间距布置，在支墩钢管顶部贝雷梁作横向分配梁，贝雷梁通过横向联系成为整体。

上部结构采用桥位现场灌注混凝土施工。全梁分为6段，首先浇筑中墩顶处零号块混凝土，然后依次对称浇筑1～6号段混凝土，最后合龙中跨跨中并浇筑边跨梁端混凝土[11]。

3 结构受力分析

3.1 有限元模型

运用ABAQUS软件建立本桥精细化有限元模型，模型包括混凝土结构和预应力钢绞线两部分，如图9所示。混凝土采用三维线性减缩积分实体单元(C3D8R)，钢绞线采用三维二节点桁架单元(T3D2)，利用EMBEDED计算将钢筋嵌入混凝土，两者协同受力[12]。

图9 桥梁有限元计算模型

主要材料包括混凝土和预应力钢绞线，属性均设为线性，不考虑非线性影响。材料属性如表1所示[13]。

表1 主要材料特性

活载按照中跨跨中最不利状况来考虑，加载情况如图10所示。

图10 桥梁加载示意

3.2 整体受力情况

利用上述模型计算结构在自重、二期恒载、预应力、活载、恒+活荷载作用下结构刚度及受力情况，主要计算结果如表2所示。

表2 各工况下位移及应力计算结果

活载作用下，最大静活载位移为9.53 mm，最大梁端转角为0.10‰，均满足规范要求。运营阶段，中跨跨中下缘最小压应力为1.89 MPa，中支点下缘最大压应力为9.81 MPa，上缘出现4.49 MPa的拉应力。结构构造尺寸和预应力布置较为合理，能够满足结构安全要求。

考虑到腹板及顶板有镂空设计，截面形状突变易造成应力扰动，产生应力集中，应力过大导致结构损伤与破坏风险增大。腹板与顶板受力情况是结构研究重点关注的项目[17]，图11分别显示其主拉应力及主压应力分布情况。可以看到最大拉应力已达20.51 MPa，发生在中支点处腹板镂空上角点，此处承受较大负弯矩，腹板上缘受拉，镂空角点应力集度剧增，为防止混凝土开裂，此处除通过预应力抵消拉应力外，还应进行倒角等构造处理，配置防裂钢筋[18-19]。

图11 桥梁主应力云图(单位：MPa)

3.3 顶板横向连接肋分析研究

顶板横向连接肋每隔5 m设置1道，宽度为0.7 m，中支点处局部加宽为3 m，厚度与腹板顶部相同。设置横向连接肋的初衷是改善槽形梁结构受力同时增加美观效果，而连接肋的作用如何，自身在荷载作用下受力情况，是本节研究的重要内容。

计算发现，顶板最大应力出现在中支点顶部横向连接肋下缘，应力值为8.00 MPa，最小应力出现在边跨跨中附近，仅为0.2 MPa，如图12所示。

图12 恒+活作用下中支点处连接肋梁下缘应力云图(单位：MPa)

将梁体变形图放大300倍，可以清晰地反映结构在受力作用下变形情况，如图13所示。

图13 梁体变形示意(放大300倍)

由图13可以看出，在中支点顶部出现比较明显的翘曲效应，导致连接肋出现较大的竖向变形，加之腹板及支座的约束作用，导致连接肋下缘出现较大的拉应力。为优化结构受力，本文对连接肋受力影响因素展开研究。

(1) 连接肋纵向尺寸

为进一步分析中支点顶部横向连接肋的受力情况，将纵向3 m宽调整为1.5 m，只选取了自重和二期恒载作用一种工况,应力云图见图14。

图14 1.5 m宽连接肋梁下缘应力云图(单位：MPa)

由图14可以看出，调整纵向尺寸后，下缘拉应力为9.85 MPa，相比较于原3.0 m宽度，应力增加了1.85 MPa。这表明中支点处横向连接肋应力随宽度减小而增大，故建议将中支点处顶板镂空取消。

(2) 支座中心距

原设计中边支点支座中心距为6.0 m，中支点为5.4 m，为分析支座中心距对连接肋受力的影响，现将中支点支座中心距调整为4.5 m，边支点保持不变。中支点顶连接肋下缘应力情况如图15所示。

图15 支座中心距调为4.5 m连接肋梁下缘应力云图(单位：MPa)

由图15可以看出，在调整中支点支座中心距的情况下，连接肋的下缘拉应力为8.03 MPa，与调整之前8.00 MPa基本相同，这表明，支座中心距对中支点顶横向连接肋下缘应力影响不大。

(3) 施工顺序

施工顺序可影响结构受力体系，单独提取活载作用下结构应力云图，发现最大拉应力仅为0.99 MPa，材料保持弹性。

为减小连接肋的应力，采取调整施工次序的措施，即在主体结构浇筑结束并张拉预应力钢束之后，再施工连接肋，以达到连接肋避免承受施工阶段应力的目的[20]。

3.4 镂空对腹板受力影响

镂空距底板2.5 m，镂空处纵向长6 m，高1.5 m，顶部圆弧半径为3.497 m。镂空面积16.22 m2，总高度为4.997 m，结构桥面以上高度为8.15 m，镂空处腹板面积削弱较为明显。本文对中支点到中跨跨中范围内镂空截面和两镂空截面间全截面进行顶、底板受力分析，截面位置如图16所示，截面下缘及上缘受压情况如图17所示。

图16 截面位置示意

图17 镂空截面应力分析

由图17可以得出，和相邻的镂空处截面相比，下缘压应力值在没有镂空时更大，中跨跨中和1/4截面处，应力变化曲线比较平缓，没有突变。上缘压应力受顶板预应力短束的影响，预应力钢束锚固处应力变化较大，但相邻的两个截面应力变化不大。上述数据表明，虽然镂空处对截面削弱较大，但受中性轴位置影响，截面刚度变化对结构应力情况影响并不大，应力分布曲线较为平缓，结构受力连续，整体受力情况较好。