滬通鐵路(80+108+80)m連續槽形梁方案研究

李喜平，嚴愛國，張池權，陳佳賓

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

預應力混凝土槽形梁是一種下承式橋梁結構形式，底板作為行車道板，主梁腹板作為主要受力構件，與上承式橋梁相比，可大大降低自橋面至梁底的高度，當橋下凈空受限制時，能有效地降低結構線路的高程［1]。

最早的預應力混凝土槽形梁是1952年建造的英國羅什爾漢橋，跨度48.6 m。此后日本、前蘇聯為適應立交的發展，對槽形梁做了大量的研究試驗工作，建造了多座簡支、連續槽形梁，并分別做了槽形梁的標準設計［2-3]，特別是日本高速鐵路新干線中，因建筑高度限制也在多處立交中采用此種梁型，最大跨度61.4 m，斜交23°7'。瑞士里茲跨隆河公路橋，采用變高度槽形梁，跨度達到143 m。在軌道交通工程中法國的里爾建造了雙線跨度50 m的預應力槽形梁;智利的圣地亞哥地鐵5號線已建成雙線槽形梁，并運行多年情況良好。

國內槽形梁的應用較晚，我國學者對槽形梁的設計理論做了大量的研究并且已經應用于工程實踐。在鐵路上已有不少應用，例如北京鐵路樞紐雙橋編組站內的為京秦線跨越京承線而設的2孔跨度為24 m的單線槽形梁、京承線雙懷段懷柔車站附近的為跨越京豐公路而設的1孔跨度為20 m的雙線槽形梁、天津南倉疏解工程京山特大橋使用的跨度32 m槽形梁、浙贛復線江西弋陽葛水河的跨度為(25+40+25)m的單線槽形連續梁，以及銅九線上跨318國道的(40+64+40)m單線槽形連續梁［4]，在朔黃鐵路、蘭新鐵路第二雙線等也有應用［5-6]。

2 工程概況

滬通鐵路趙家溝特大橋處于上海市浦東新區鏡內，橋址處為密集居民區，從楊園新村小區邊通過需采用半封閉式聲屏障，依次跨越趙高路、高橋港、新龍路。高橋港為上海市一級河道，河面寬44.5 m、河底寬20 m、河底高程-1.5 m，與鐵路交角21°，要求橋墩不得進入河道底寬范圍。河道兩岸分別為趙高路和新龍路。趙高路正寬9.5 m，與鐵路交角18°。新龍路紅線寬12 m，與鐵路交角23°。受通航凈空和線路高度的影響，結構高度受到限制，設計擬采用(80+108+80)m槽形連續梁方案，兩個邊跨分別跨越趙高路和新龍路，中跨跨越高橋港，軌道設置在槽形梁的底板上，結構高度小，既可以滿足結構高度的要求，槽形梁的腹板又可以兼做聲屏障，具有良好的景觀效果，見圖1。

圖1 橋梁效果圖

3 主要技術標準

(1)設計速度:設計最高運行速度200 km/h。

(2)線路情況:雙線，曲線，正線線間距為5.1 m，曲線半徑1960 m。

(3)環境類別及作用等級:一般大氣條件下無防護措施的地面結構，環境類別為碳化環境，作用等級為T2級。

(4)設計使用年限:正常使用條件下梁體結構設計使用壽命為100年。

(5)軌道:橋上采用有砟軌道。

(6)列車活載:采用“中-活載”;溫度荷載:設計合龍溫度取15～25℃，均勻溫差按升降溫20℃;基礎不均勻沉降:相鄰兩支點不均勻沉降差不大于2.0 cm。

4 結構設計

橋梁孔跨布置為 (80+108+80)m，預應力混凝土槽形連續梁，全長269.6 m(含兩側梁端至邊支座中心各0.8 m)。

橋面橫向布置:1.8 m(人行道板)+0.25 m(擋砟墻)+2.2 m+5.1 m(線間距)+2.2 m+0.25 m(擋砟墻)+1.8(人行道)。擋砟墻內側凈寬8.8 m;單側人行道寬度為1.8 m，中支座處為0.8 m，邊支座和中跨中處為1.3 m。如圖2所示。

圖2 橋面橫向布置(單位:cm)

4.1 主梁構造

梁體采用 C55混凝土，fc=37.0 MPa，fct=3.30 MPa，Ec=3.60×104MPa，梁體為等高度槽形梁，腹板帶有大圓孔，總高11 m。梁截面內、外輪廓為圓弧形，其上方最大寬10.496 m，下方為14.7 m，梁體中間最寬處為15.12 m。圓孔直徑4 m，中心距為8 m。腹板厚度一般為0.7 m，中支座處加厚為1.7 m，邊支座和中跨中處加厚為1.2 m;底板厚度一般為0.7 m，邊支座和中支座處均加厚為1.2 m;上部翼緣厚度為0.6～1.545 m。頂部設有橫撐，橫撐一般寬1.0 m，高0.6 m，中心距8 m;支座處橫撐寬2 m，高0.8 m，邊支座處相鄰的兩個橫撐凈距8.3 m，中支座處相鄰的兩個橫撐凈距5 m。梁體立面布置如圖3所示。

圖3 1/2梁體立面布置(單位:m)

主梁采用三向預應力，縱向、橫向預應力采用低松弛高強度鋼絞線，產品符合GB/T5224-2003的標準，標準強度fpk=1 860 MPa、公稱直徑15.2 mm、公稱截面積140 mm2;Ep=1.95×105MPa;采用夾片錨錨固體系，制孔采用金屬波紋管。豎向預應力采用φ32 mm預應力混凝土用螺紋鋼筋，型號為PSB830，產品符合GB/T20065—2006標準。

主梁混凝土用量8 769 m3，縱向預應力筋用量356.5 t。

4.2 平面分析

主梁縱向計算分析采用橋梁結構分析系統BSAS4.2.3，對施工、運營階段進行了模擬計算。計算過程考慮了:梁體自重、二期恒載、預應力、施工臨時荷載、活載、支座不均勻沉降、均勻升降溫等，并考慮了施工過程中體系轉換的影響、混凝土收縮徐變及預應力損失的影響。主梁主要計算結果見表1，各項指標均滿足規范要求。

主梁最大靜活載撓度:-8.5 mm，為跨度的1/12 705;梁端最大靜活載豎向轉角:0.197‰。可見梁體剛度較大，滿足規范要求。軌道鋪設完成后主梁的豎向殘余徐變變形為-4 mm，主梁成橋10年后恒載豎向位移為-9 mm。主梁支座反力計算結果見表2。

表1 主梁主要計算結果

表2 主梁支座反力計算結果kN

梁部橫向計算采用橋梁博士3.1.0，順橋向長度取1.0 m的梁段，模擬為支撐于腹板中心線下緣的U形結構進行計算，計算荷載包括自重、二期恒載、預應力、溫度、收縮徐變等。計算結果表明，橫向計算結果滿足規范要求。

4.3 空間分析［7]

通過midasFEA建立空間模型分析，用實體單元模擬混凝土，用鋼筋單元模擬預應力鋼筋，荷載效應考慮結構的自重、二恒、收縮徐變、列車活載。有限元模型見圖4。

圖4 全橋有限元模型

圖5 中支點處截面等效應力圖

限于篇幅，由于結構的對稱性，本文僅給出中支點處截面、主跨跨中截面、以及中支點附近梁段的部分計算結果。中支點處截面等效應力見圖5，此處截面頂部有橫撐，腹板局部進行了加厚，從圖5中可以看出腹板下方支座處局部應力較大，最大值33.2 MPa;同時可以看到腹板與頂板交界附近應力也相對較大，為14.33～23.81 MPa，其余部分應力不大，分布均勻，為4.84～9.59 MPa。

主跨跨中截面等效應力見圖6，此處截面頂部沒有橫撐，可以看出截面應力比較均勻，最大應力為9.97 MPa，最小應力為4.85 MPa。

圖6 主跨跨中截面等效應力圖

中支點附近梁段(中支點兩側各30 m)等效應力見圖7，可以看出中支點兩端14 m處腹板與頂板、底板交接處應力都比較大，局部最大約為24.07 MPa，這是因為此處為施工分段處，預應力索局部錨固效應引起的;腹板大圓孔由于局部截面削弱，圓孔邊緣應力較大，局部最大約為19.35 MPa。

圖7 中支點附近梁段等效應力

空間分析計算結果表明，槽形梁整體受力合理，都能滿足混凝土的強度要求。

4.4 自振特性分析

自振特性分析計算軟件采用Midas，模擬結構實際約束情況，2個邊墩、1個中墩均采用1個多項活動支座+1個橫向固定縱向活動支座，另一個中墩采用1個固定支座+1個橫向活動縱向固定支座。通過計算，第1階振幅為1階豎向彎曲，自振頻率為4.704 Hz，第 2階振幅為 2階豎向彎曲，自振頻率為7.265 Hz。

5 結語

預應力混凝土槽形梁在橫向是一個開口U形結構，空間效應明顯，不能僅做平面分析，還必須做空間分析［2]。該結構形式，相對于箱形截面，抗扭剛度小，設計時應該引起注意，在梁頂應根據需要設置橫梁，可以增加結構的抗扭剛度。在支點附近，由于凈空的限制，不能像箱形截面一樣設置橫隔板，為了將梁體荷載傳遞給支座，避免局部應力較大，可以采取適當加厚腹板和底板的措施。

預應力混凝土槽形梁，根據結構受力情況，跨中截面的腹板高度可為支點處的0.5～0.66倍，采用變高度梁布置是經濟的方式。本項目采用等高度梁，主要是考慮梁體的美觀，更好地與周圍環境相協調，同時通過在腹板上設置圓洞，達到變高度梁節省材料的效果，取得良好的景觀和經濟效應。

［1]胡匡璋，江新元，陸光閭.槽形梁［M].北京:中國鐵道出版社，1987.

［2]Javier Manterola Armisen，Antonio Martinez Cutills.High Speed Railway Bridge over the Ebro River，Spain［J].St ructural Engineering International，2003(3):174-176.

［3]周璞.兩座新穎的高速鐵路橋簡介［J].世界橋梁，2005(4):1-4.［4]陳銘.鐵路預應力混凝土槽形梁研究［J].鐵道標準設計，2009(6):39-41.

［5]范連合.加設封閉式防護罩的預應力混凝土槽形梁整體設計研究［J].鐵道標準設計，2011(11):62-66.

［6]繆文輝，何濤.蘭新二線風區槽形梁設計分析［J].鐵道標準設計，2010(11):44-47.

［7]陸光閭.連續鐵路槽形梁橋空間效應分析［J].鐵道學報，2000(5):41-45.

［8]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設計基本規范［S].北京:中國鐵道出版社，2005.

［9]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S].北京:中國鐵道出版社，2005.