槽形梁在城市桥梁中的应用

任秋云

江苏苏邑设计集团有限公司，江苏 南京 210000

1 槽形梁概述

槽形梁是一种下承式受力结构，断面形式为U形，主要由主梁、行车道板、横梁组成，是一种梁、板组合的空间结构，从材料上可分为预应力混凝土槽形梁和钢结构槽形梁。钢结构槽形梁更适用于人行景观桥，相较而言预应力混凝土槽形梁的用途更为广泛。预应力混凝土槽形梁主要有以下优点：桥面结构下沉，明显降低建筑高度；主梁有一定的隔声效果；主梁可与防撞护栏、栏杆等组合设计。

混凝土槽形梁是由两侧主梁和行车道板组成的整体受弯构件，活载直接作用于行车道板，再由行车道板将荷载横向传至两侧的纵向主梁，最终由主梁抵抗外荷载及自重引起的弯矩，把整体受弯简化为主梁单梁受弯，主梁腹板也会受到法向应力及剪力、扭矩等共同作用。同时，在荷载作用下，行车道板的受力与混凝土箱梁的桥面板受力相似，在横桥向和纵桥向均受弯，且与主梁共同抵抗外荷载。槽形梁的纵向设计与一般梁桥相似，主要是应力、挠度、裂缝的控制；横向设计同样要控制这几个因素，但是其作用机理比较复杂。

2 工程概况

某城市公园入口处新建一座桥梁，河道上口线宽20m，最高水位为7.5m，桥梁两端接路标高为9m，根据公园整体景观效果及洪评要求，桥梁需一跨过河，为了满足跨河桥梁桥下净空的规范要求及泄洪要求，桥梁可实施的结构高度仅余1.0m，常规上承式梁桥无法实现，且考虑桥梁跨径较小，下承式拱桥和桁架桥也并不适宜，因此采用预应力混凝土槽形梁方案。

3 桥梁整体设计

设计桥梁跨径为一跨23m，上部结构形式为单跨简支预应力混凝土槽形梁。桥长27.4m，桥梁结构宽度为9.4m，桥面净宽为7m。拟定槽形梁主梁高2.1m，主梁腹板宽0.5m，上翼缘宽1.2m，槽形梁底板宽8.6m，行车道板中心厚度为0.4m，桥面设置双向1.5%的横坡，底面水平，在支点处主梁腹板加厚至0.65m，行车道板中心厚度加厚至0.6m。桥面铺装采用10cm沥青混凝土+10cm C50混凝土现浇层，支座采用板式橡胶支座。

4 槽形梁受力分析

4.1 主要材料及技术标准

槽形梁采用C50混凝土，钢筋采用HPB300钢筋和HRB400钢筋，每片主梁纵向预应力采用5束12ΦS15.20低松弛高强预应力钢绞线。荷载等级取城-B级；施工方法采用满堂支架现浇。桥面铺装采用10cm C50混凝土现浇层+10cm沥青混凝土面层，计算得桥面铺装荷载为34.3kN/m；温度荷载按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）（以下简称《通用规范》）计算。简支梁冲击系数μ也按《通用规范》计算，μ=0.259。

4.2 模型建立

由于槽形梁在公路及城市桥梁设计中应用较少，铁路槽形梁应用较多，在桥梁设计计算时可参考其计算原理，将两侧的主梁等代为具有下翼缘的L形梁，其下翼缘取主梁有效宽度范围内的行车道板，考虑纵向弯矩全部由主梁承受；行车道板按简支梁或两端固结梁计算，其计算跨径取主梁中线之距。通过模拟等代，利用已经较为成熟的混凝土梁的设计计算原理，为槽形梁的结构建模提供了思路。

有限元模型采用Midas Civil软件建立梁格模型，槽形梁为空间受力单元，故采用梁格模型比简单的杆系模型更精确。该案例中，根据槽形梁断面设计，将槽形梁划分为两片主梁，两片主梁之间采用虚拟横梁连接。为了与自重荷载吻合，横梁不计自重。考虑左右梁构造、荷载对称，文章仅以左梁为例进行分析。

桥梁计算时假定材料在荷载作用下处于小变形和线弹性阶段，且各种荷载对结构的作用符合线性叠加原理，铺装层不参与结构受力，仅作为二期恒载考虑。

4.3 纵向计算

持久状况承载能力极限状态正截面承载力验算包络图如图1所示。持久状况正常使用极限状态抗裂验算如表1、表2所示。

表1 频遇效应组合抗裂验算表 单位：MPa

表2 准永久效应组合抗裂验算表 单位：MPa

图1 持久状况正截面抗弯验算包络图

极限状态挠度验算如表3所示。持久状况混凝土压应力验算如表4所示。施工阶段混凝土正应力如表5所示。由上述计算结果可知，主梁的强度验算、抗裂验算等主要控制指标均满足规范要求。

表3 极限状态挠度验算表 单位：mm

表4 持久状况混凝土压应力验算表 单位：MPa

表5 施工阶段混凝土正应力表 单位：MPa

4.4 横向计算结果

槽形梁横向分析采用Midas Civil对行车道板进行计算。根据槽形梁行车道板的结构与受力特点，取跨中单位长度的行车道板进行计算，与预应力混凝土现浇箱梁的桥面板计算方法类似。根据设计截面尺寸及钢筋布置，计算出桥面板跨中处抗力为374.2kN·m，最大弯矩和最大裂缝均出现在行车道板跨中处，最大弯矩为322.7kN·m，表明正截面抗弯满足要求，最大裂缝宽度为0.119mm≤0.2mm，裂缝宽度满足要求。

5 结论与展望

通过结构计算，槽形梁受力满足要求，但计算过程中尚存在以下问题：（1）槽形梁温度荷载的确定。在混凝土槽形梁中可能温度荷载影响较小，但在钢桥中温度荷载影响较大，温度荷载的准确模拟对于槽形梁应力结果有着重大的影响。（2）汽车荷载下槽形梁的动力性能研究。目前没有明确规范指出如何计算槽形梁结构汽车冲击系数，这与活载模拟是否准确有着重要的关系。（3）腹板与底板交接处受力复杂，难以准确模拟。

在设计中，在进行中小跨径的桥梁结构选型时，上部结构一般采用装配式简支梁、现浇连续箱梁、钢箱梁等常规梁桥结构，这些都是上承式结构，结构高度较高。在跨径确定的情况下，桥梁梁高可降低的空间非常有限，且近年来洪水问题频发，进行桥梁设计时应尽量减少水中墩，常规通过减小跨径降低梁高的方法也较难实现，在满足桥下净空要求的前提下，更迫切地需要设计者们研究如何降低桥梁建筑高度，以便选取更合适的方案。

国外槽形梁结构的探索运用较早，可追溯至二十世纪五六十年代，已有约70年历史，国内从改革开放后开始大量建设铁路，槽形梁也被运用到我国的轨道交通建设中，距今也有40年历史。因此，我国轨道槽形梁设计的理论依据也较为充分，但其在公路领域及城市建设中还缺乏应用实例。其主要原因是城市桥梁或公路桥梁路幅较宽，行车轨迹也不固定，槽形梁只有在较窄路幅且行车轨迹固定的桥梁中运用才能展现其优势，且槽形梁的行车道板与主梁是整体的受力结构，两者共同承受荷载作用，是一种空间的受力体系，具有开口薄壁式构件和开口框架的特点。同时，这两种结构形式存在抗扭性能差、受力复杂的缺陷，目前仅用现有的梁理论进行结构计算还无法解决这些问题，因此要将槽形梁运用到公路、桥梁中还需要进行更多的试验和深入的研究，从而形成强有力的理论体系作为支撑。