预应力混凝土变高T型刚构桥性能分析概述

◎杨建强 中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院

T型刚构桥具有良好的整体性，较强的结构刚度，节省材料且施工简便等优点。同常规连续梁不同之处在于T型刚构桥于抗震方面有较大的提高，在梁体变形方面更为平缓，提高了行车的舒适性且后期养护方便。另外，T型刚构桥采用墩梁固结，能够抵消温度变化、混凝土收缩徐变及施工误差等不利因素产生的不平衡弯矩，由此在设计方面难度有所提高，施工方面更需严格把控。在跨越山川河流等不易支架浇筑的复杂地形路段，为便于施工多采用节段悬浇。在施工过程中，需采用特殊设计的挂篮结构进行加工，同时需要两侧同步同质量进行施工，以保证对称受力，避免产生不平衡弯矩。针对大跨结构的需求，高强材质及施工精度等方面发展进步迅速，相应对设计师本身的要求、计算软件的合理性与复杂性以及施工质量的提升，均得以深入发展与创新。

本篇文章通过某工程应用实例，以（64+64）m预应力混凝土悬臂浇筑T 型刚构桥作为分析对象，利用midas Civil和桥梁结构分析系统BSAS两种有限元分析软件，对比总结T型刚构桥于结构本身受力及线型结果等的设计合理性，分析对比节段悬浇对T型刚构桥的力学性能影响，望能够为本行业同仁于类似结构的设计提供理论参考。

1.应用实例

杭州某一铁路T型刚构桥，构造跨度为（64+64）m预应力混凝土悬臂浇筑T型刚构桥。防护墙内侧桥面净宽度9.0m，桥上人行道栏杆内侧净宽12.4m，桥面板宽12.6m，桥梁建筑总宽12.93m。

桥梁全长为129.5m，计算跨度为（64+64）m，中支点处梁高7.0m，边支点梁高4.0m，边支座中心线至梁端0.75m。梁底下缘按圆曲线变化，圆曲线半径为333.386m。全联共分30个梁段，A0号梁段长度10m；一般梁段分成3.5m、4.0m，边跨直线段长18.25m，最大悬臂浇筑梁段重1906kN。

梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽12.6m，箱梁底宽6.7m。顶板厚度40cm；底板厚度40～100cm，按圆曲线变化至中支点梁根部，中支点处加厚到170cm；腹板厚50～90cm，按折线变化。全联在端支点及中支点处共设3个横隔板（图1-3）。

图1 构造立面图（单位：cm）

图2 A-A断面图

图3 B-B断面图

桥墩设计墩高5.5m，采用圆端形实体桥墩，桥墩纵、横向均不放坡，纵向尺寸4.0m，横向尺寸8.7m（其中平直线长度6.7m），基础采用15根1.5m钻孔灌注桩基础（图4）。

图4 桥墩基础构造图

2.设计基本条件

1）设计速度：350km/h。

2）线路情况：双线，线间距5.0m。

3）环境：碳化环境，作用等级为T2。

4）轨道结构型式：CRTSI型双块式无砟轨道。

5）设计使用年限：正常使用条件下梁体结构设计使用寿命为100年。

6）施工方法：悬灌法施工。

7）地震烈度：地震动峰值加速度Ag=0.05g。

图5 midas Civil三维有限元模型图示

图6 BSAS二维有限元模型图示

3.设计材料

1）混凝土：采用符合《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092-2017）（以下简称“《铁混规》”）标准的混凝土材料。纵梁采用C50混凝土、墩柱和承台采用C40混凝土；桩基础采用C30混凝土。

2）钢绞线：钢绞线采用符合《预应力混凝土用钢绞线》（GB／T 5224-2014）标准的钢绞线材料。

3）钢筋：HPB300、HRB400钢筋分别采用符合《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》（GB 1449.1-2017）及《钢筋混凝土用钢第 2 部分：热轧带肋钢筋》（GB/T 1499.2-2018）标准的钢筋材料。

4）波纹管：波纹管采用符合《预应力混凝土用金属波纹管》(JG 225-2007)标准的波纹管材料。孔道摩阻系数μ=0.26，孔道偏差系数k=0.003/m。

4.设计荷载

1）恒载：混凝土自重取26kN/m；二期根据桥面布置取140kN/m，基础变位按1.5cm计算。

2）活载：按铁路标准的ZK活载计算。

3）温度：按《铁混规》相关规定取值。

5.荷载组合

分别以主力、主力+附加力进行组合，取最不利组合进行计算。

6.计算过程介绍

针对本结构分别采用midas Civil 和BSAS两种软件对比分析。边墩梁底边界约束采用常规约束建模，中墩基础底部考虑模拟地基刚度。

7.纵梁强度计算

Civil：纵梁主力组合作用下，最小强度安全系数2.35，大于规范限值2.2；主力+附加力组合作用下，最小强度安全系数2.29，大于规范限值1.98；满足规范要求。

BSAS：纵梁主力组合作用下，最小强度安全系数2.37，大于规范限值2.2；主力+附加力组合作用下，最小强度安全系数2.31，大于规范限值1.98；满足规范要求。

8.纵梁抗裂计算

Civil：纵梁主力组合作用下，最小抗裂安全系数1.40，大于规范限值1.2；主力+附加力组合作用下，最小抗裂安全系数1.25，大于规范限值1.2；满足规范要求。

BSAS：纵梁主力组合作用下，最小抗裂安全系数1.41，大于规范限值1.2；主力+附加力组合作用下，最小抗裂安全系数1.27，大于规范限值1.2；满足规范要求。

9.纵梁挠度计算

Civil：纵梁静活载最大竖向挠度-13.95mm（向下）；静活载+0.5倍温度作用最大竖向挠度-14.97mm（向下）；0.63倍静活载+温度作用最大竖向挠度-10.82mm（向下），均小于规范限值-1.4×L/1900=-47.2 mm，满足规范要求。

BSAS：纵梁静活载最大竖向挠度-12.10mm（向下）；静活载+0.5倍温度作用最大竖向挠度-13.01mm（向下）；0.63倍静活载+温度作用最大竖向挠度-9.47mm（向下），均小于规范限值-1.4×L/1900=-47.2 mm，满足规范要求。

10.纵梁应力计算

1）正应力计算。Civil：纵梁主力组合作用下，最小压应力为1.65 MPa，最大压应力为10.79MPa；主力+附加力组合作用下，最小压应力为0.41MPa，最大压应力为12.99MPa；纵梁上下缘均无拉应力出现，满足《铁混规》中第7.3.10～7.3.11条规范要求。

BSAS：纵梁主力组合作用下，最小压应力为1.34MPa，最大压应力为11.08MPa；主力+附加力组合作用下，最小压应力为0.36MPa，最大压应力为12.39MPa；纵梁上下缘均无拉应力出现，满足《铁混规》中第7.3.10～7.3.11条规范要求。

2）主应力计算。Civil：纵梁主力组合作用下，最大主拉应力为1.13 MPa，最大主压应力为10.80MPa；主力+附加力组合作用下，最大主拉应力为1.19MPa，最大主压应力为12.99MPa；满足《铁混规》中第7.3.9～7.3.12条规范要求。

BSAS：纵梁主力组合作用下，最大主拉应力为2.36MPa，最大主压应力为12.40MPa；主力+附加力组合作用下，最大主拉应力为2.60MPa，最大主压应力为12.75MPa；满足《铁混规》中第7.3.9和第7.3.12条规范要求。

3）剪应力计算。Civil：纵梁主力组合作用下，最大剪应力为2.79MPa；主力+附加力组合作用下，最大剪应力为2.82MPa；满足《铁混规》中第7.3.15条规范要求。

BSAS：纵梁主力组合作用下，最大剪应力为2.81MPa；主力+附加力组合作用下，最大剪应力为2.84MPa；满足《铁混规》中第7.3.15条规范要求。

11.残余变形计算

根据《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）第5.2.2条要求，本桥轨道铺设完成后，竖向残余变形不应大于20mm。

Civil：轨道铺设完成后，竖向最大残余变形2.07mm；满足规范要求。

BSAS：轨道铺设完成后，竖向最大残余变形3.15mm；满足规范要求。

12.梁端转角位移计算

根据《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）第5.2.6条要求，本桥列车竖向静活载作用下，梁端转角位移不应大于1‰。

Civil：列车竖向静活载作用下，梁端转角位移最大0.73‰；满足规范要求。

BSAS：列车竖向静活载作用下，梁端转角位移最大0.75‰；满足规范要求。

13.结论

结构构件尺寸的取值以及钢绞线设计是大跨度桥梁设计中的难点也是重点。本文结合实际应用，主要给出了一案例中midas Civil 和BSAS两种软件计算（64+64）m预应力混凝土悬臂浇筑T型刚构桥的强度、抗裂、应力以及刚度情况等详细的结果。通过结果分析，验证了本桥结构设计的合理性，同时从结果对比来看，验证了两款软件对于分析该类桥的正确性，且结果相差不大。望本文案例能对同类桥梁设计有所帮助。