轨道交通预应力混凝土连续梁设计范文

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摘要：

某轻轨工程一联37.5+50+37.5米预应力混凝土连续箱梁在施工设计时因桥下限界影响，在确定难以改变线路纵断的情况下，采用取消中墩盖梁、中墩改用单支点支承的方案以满足限界要求。针对中墩单支点支承方案边支点存在的支座脱空问题，通过对一个中墩墩梁固结、支点增加配重混凝土和支点施加强迫位移三个方案的计算比选，确定采用墩梁固结方案，较好的解决了此预应力连续梁桥的支座脱空问题。针对中墩单支点支承产生的较大扭矩，按照英国BS5400规范对主要截面抗扭强度进行了验算。在横隔梁计算中，针对现行桥梁规范缺少横隔梁受力分析论述的问题，根据实际经验提出了合理的横隔梁受力分析原则；并对横隔梁进行实体单元建模，根据计算结果分析构件应力分布状态，对单支点横隔梁的强度计算方法提出了合理的建议。

关键词：

连续梁；墩梁固结；抗扭；横隔梁

1概述

某轻轨线一联双线三跨预应力混凝土连续箱梁，线间距由5米渐变为3.8米，梁宽由13.38米渐变为标准段9.58米，横截面为单箱室，桥梁跨度为37.5+50+37.5米。本桥为变高度梁，即边支点处梁高为2米，中支点处梁高为3.2米，梁底高度按二次抛物线变化；上下部连接方式为墩梁分离，为避免主梁倾覆，各墩位处均采用双支座支撑；全梁不仅在腹板处布置了纵向通长预应力束，并在中墩顶板处布置了纵向顶板束。（如图1所示）但是在项目后期，由于该桥下方道路调整，中墩桥墩盖梁侵入行车道限界，需对设计做出调整。调整方案一为改变该段线路标高，使中墩处线路上抬1.2m，受其影响，该段下部桥墩需要重新考虑墩高变化的影响。由于其影响范围较大，不推荐采用该方案。方案二为取消中墩桥墩上部盖梁，中墩采用单支座支撑，从而避免了上部盖梁的侵限问题，并最大程度的减小了对工程量的影响。将中墩调整为单支座支撑后，经过计算发现，由于全桥扭矩均由两边支点承受，当横向风力和单车道列车荷载共同作用时，在主力+附加力工况下中墩支点出现了支座脱空现象，负反力大小为336kN。因此，必须采取措施消除负反力。另外，中墩调整为单支座支撑后还增大了梁截面扭矩，并对中横隔梁的受力情况产生影响。以下主要介绍对这三个方面的设计，进行计算。

2方案比选

为解决支座脱空问题，对以下三个方案进行了比较：（1）一中墩桥墩为单点支撑，另一中墩与梁固结。全桥按照杆系单元建立模型，共建立了129个单元，130个节点。其中下部结构仅建立墩梁固结处的桥墩及桩基础的模型，其余部分只需在支点处建立一般支承即可。桥墩按实际尺寸建立，共划分了7个单元，8个节点，通过与主梁的刚性连接模拟固结。对群桩基础按照承台顶面的三种力（轴力N、水平剪力Q和弯矩M），等代为两侧立柱底端均固结、顶端横梁刚度无穷大的门形刚架模型。通过以上方法建立墩梁固结模型，计算后发现，原产生负反力的支座在同种工况下反力为603.8kN，且为最小正反力，支座脱空问题得到较好解决。同时由于只有一个墩与主梁固结，对主梁纵向受力未产生大的影响。（2）两个中墩均为单点支撑，边支点附近边跨增加配重以抵消边墩支座可能产生的负反力，配重材料为钢渣混凝土，浇筑在箱室内。采用与方案一同样的方法建立上部结构模型，支点处设置一般支承，在F25墩附近10.75米的范围内施加分布竖向荷载模拟配重，总配重量为1408kN，即39方钢渣混凝土。经计算，最小支座反力为908.6kN，未出现支座脱空现象。（3）两中墩支点均为单点支撑，两边墩支点施加向上的强迫位移。建模方法同上，强迫位移通过在支点处施加节点强制位移实现，在中墩支点处施加250mm向下的强制位移，同时在边墩支点处施加250mm向上的强制位移。经计算，最小支座反力为464.4kN，未出现支座脱空现象。通过计算比较，三种方案均可抵消边墩支座负反力，而方案一不需要调整预应力束，且更加便于施工；方案二所用钢渣混凝土较多，浇筑在边支点附近箱室内，影响箱梁后期维护，且不利于支座附近箱梁底板受力；而方案三采用强迫位移，通过千斤顶在支点处顶升实现，但工艺复杂，容易产生较大误差，且影响了主梁应力分布，需要增加连续梁的钢绞线用量，并需调整钢绞线线型。因此，本联连续梁最终的梁外形、两边墩支座方案同原设计，一中墩处改用单支撑，另一中墩处改用墩梁固结形式，对应处横隔梁修改；中墩墩取消顶部盖梁，重新核算桥墩受力配筋，并对墩梁固结处重新配筋。

3抗扭计算

一个中墩调整为单支座支撑后，由单线列车荷载和横向风力产生的扭矩增加较大，扭矩分布如图2所示。因此有必要对主梁进行抗扭验算。由于铁路桥规中没有关于构件抗扭的计算，采用英国BS5400规范进行计算。计算时应注意，抗扭钢筋应由矩形的有效闭合箍筋连同纵向钢筋组成，但这些钢筋首先应用于抗弯和抗剪，富余部分才可用于抗扭。另外，布置纵筋以满足扭转应力时，可计及横截面中同时承受弯曲压应力的钢筋面积以减少钢筋用量。本桥对两边支点变截面、墩梁固结处截面进行了计算，结果如表1所示。由表1可知，各截面均需布置抗扭钢筋，按实际配筋量减去所需抗扭钢筋后，对截面进行抗弯和抗剪验算，均可满足规范要求。

4单支点横隔梁计算

4.1计算方法现有的桥梁结构工程教材及设计规范，对横隔梁的受力分析都没有涉及。有限元法从理论上说是可以解决这个问题的，但在具体设计中却不具有实用性。因此本次设计根据以往经验，采用较为简易的计算方法考虑支座截面横隔梁受力分析。单箱单室截面的横隔梁的受力分析按如下原则进行：（1）沿梁跨方向的横隔梁外荷载主要通过腹板剪力传递；（2）对于结构对称、荷载对称的情况，同一截面处两个腹板剪力相等；（3）腹板传递剪力大小可通过杆系单元建模得出，横隔梁范围内的荷载可按实际位置计算。按照以上原则，就可大大简化横隔梁计算模型。

4.2强度计算固结中墩处横隔梁为单支点，横隔梁厚为2米，截面具体尺寸如图3所示。根据以上计算方法，腹板传递的力在支点附近截面将产生较大弯矩及剪力。以往设计中对此类情况多在横隔梁中布置横向预应力束，但该横隔梁宽度较小，最大处仅为6.5米，如施加预应力将产生较大的预应力损失，且易与纵向预应力束冲突。因此，该横隔梁按照普通钢筋混凝土构件设计，为保证安全，在不影响施工的前提下取消该横隔梁上入孔。图3横隔梁截面尺寸（mm）该横隔梁尺寸符合公路规范中规定的深梁的特点，但为单支点，缺乏相关的理论依据。因此本次设计通过实体模型探讨单支点横隔梁适合的强度理论。由于是单支点，此处扭矩较小可忽略，腹板传递的只有剪力，剪力值可通过平面杆系模型得出该支点左右两侧最大剪力，并均分至左右腹板上，作为压力荷载均匀的分布在相应实体单元外侧面上。通过软件计算得出横隔梁的弯曲应力分布情况，积分后画出弯曲应力图，如图4所示。由于所使用的实体单元为弹性单元，所以所得应力亦为弹性状态下的应力分布，但已基本表明横隔梁的正截面应变分布基本符合平截面假设，应力分布接近线性关系，非线性分布不很明显。因此，该横隔梁现按照钢筋混凝土受弯构件进行计算配筋，为偏于安全，可再按照深梁进行核算。

5结束语

针对某轻轨线三跨连续梁桥施工设计，文章通过方案计算比选，最终确定了墩梁固结方案，较好地解决了前期设计存在的支座脱空问题。按照新的设计方案，文章根据英国BS5400规范又对截面的抗扭问题进行了验算，确保了结构的安全；并通过对横隔梁进行实体建模分析，对单支点受弯构件的强度计算方法提出了合理的建议。通过本桥设计，对今后的预应力梁设计提供了有益的经验。

参考文献

[1]英国标准BS5400.钢桥、混凝土桥及结合桥（上册）[S].1986.

[2]延波.城市轨道交通箱梁横隔梁实用简化计算[J].都市快轨交通，2007.

作者：闫骏霞 丛方杰 单位：国家知识产权局专利局 烟台大学