預應力混凝土曲線連續箱梁設計研究

徐金帥 黃 莉

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州 450001;2.吉林鐵道職業技術學院，吉林吉林 132000)

1 結構體系

本橋采用(40+64+40)m預應力連續箱梁跨越既有溝壑，位于平面曲線半徑為R=800 m的線位處。箱梁橫截面采用單箱單室直腹板形式。邊支座中心線至梁端0.7 m，梁全長145.4 m。中跨支點梁高5.0 m，跨中及邊跨支點梁高3.0 m。梁高沿縱向按二次拋物線變化。中跨2.0 m長合龍段、邊跨2.0 m長合龍段及7.7 m長現澆段。箱梁頂寬7.2 m，箱寬3.8 m，為滿足連續梁支座安裝的需要，中跨支點箱梁底寬加寬至4.8 m，邊跨支點不加寬。箱梁頂板厚度為32 cm，底板厚度由支點處80 cm至1/4跨漸變為40 cm;腹板厚度80 cm～60 cm～40 cm，箱內頂板處設70 cm×28 cm梗脅，底板處設30 cm×30 cm梗脅。全梁支座處及中跨跨中共設置5個橫隔板，在中支點處橫隔板厚160 cm，邊支座處橫隔板厚120 cm，跨中處橫隔板厚50 cm。橫隔板及梁端部設置進人孔洞，箱內設泄水孔，腹板設通風孔。中支點及邊支點斷面圖見圖 1，圖 2。

圖1 中支點斷面圖（單位：cm）

曲線梁按曲線曲做設計。梁體沿橫截面中心線對稱布置，相應的梁體縱向輪廓尺寸均為沿梁體中心線的展開尺寸，梁體輪廓、普通鋼筋、預應力鋼束及管道等均應以梁體中心線為對稱線沿徑向根據曲率進行相應調整，支座、橋墩亦按徑向布置。

圖2 邊支點斷面圖（單位：cm）

2 計算模型

采用MIDAS程序建立空間有限元模型進行施工階段及運營階段分析，計算時計列重力、預應力、收縮徐變、體系溫度、支座不均勻沉降、中活載等荷載對結構的作用，分析結構內力、應力、強度及變形等。

全橋共分為166個單元，175個節點。計算模型及支承情況如圖3，圖4及表1所示。

圖3 曲線梁（R=800）模型圖

圖4 曲線梁（R=800）支座布置圖（單位：mm）

表1 曲線梁(R=800)支座參數

3 荷載組合

荷載組合分別以主力組合、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計，并對特殊荷載進行檢算:

1)主力組合:恒載(一期、二期、預應力、收縮及徐變)、活載(考慮列車豎向動力作用)、支座沉降、長鋼軌縱向水平力等按照規范要求組合;2)主力+附加力組合:主力、附加力(溫度力、制動力、風荷載、離心力、橫向搖擺力等)按照規范要求組合。

曲線梁模型加載參數選取及加載布置詳見表2。

表2 曲線梁計算參數選取及模型加載布置表

4 施工階段分析檢算

在預加應力的過程中，預應力鋼筋在錨下的控制應力應符合下列條件:鋼絲、鋼絞線的錨下控制應力值 σcon=σp1+σL≤0.75fpk。在傳力錨固或存梁階段，計入構件自重作用后，混凝土的正應力應符合下列條件:1)壓應力σc≤0.75fc';2)拉應力σct≤0.75fct'。本梁施工時混凝土強度已達到標準強度的90%，故壓應力允許值0.70fck'=0.75 ×0.9 ×33.5=22.61 MPa，拉應力允許值0.70ftk'=0.70 ×0.9 ×3.10=1.95 MPa。根據對結構在各施工階段的檢算結果，確定施工階段的安全性。

5 運營階段分析檢算

梁部結構運營階段檢算主要包括:正截面抗彎檢算、運營階段正截面抗裂檢算、運營階段斜截面抗裂檢算、運營階段混凝土壓應力檢算、運營階段預應力鋼筋拉應力檢算、運營階段混凝土剪應力檢算。

荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合，并考慮特殊荷載作用，取最不利組合進行設計。

6 梁體模態分析

梁體的橫向剛度應按梁體的橫向自振頻率和梁體的水平撓度進行控制。預應力混凝土梁橋跨結構的橫向自振頻率f不得小于55/L0.8。故本梁橋跨結構橫向自振基頻不得小于1.974。

7 箱梁橫向分析

對箱梁進行橫向內力及應力檢算，計列要素如下:

1)計列箱梁自重恒載、橋面道碴、線路設備，以及豎向預應力作用等產生的內力;2)計列特種活載，并考慮活載沖擊系數產生的內力;3)計列溫度變化及混凝土收縮產生的內力;4)計列日照溫差或寒流降溫影響產生的內力;荷載組合分別以主力組合、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計:箱梁橫截面內力分析時，在跨中處順橋向取1 m長的箱形截面，按腹板底部支承的框架進行計算。

8 T構懸臂施工安全性分析

掛籃懸臂灌注施工前，墩頂處加設臨時支座，以C50混凝土及鋼筋將箱梁0號梁段與墩身連接，形成臨時錨固支座。檢算不平衡荷載工況組合如下:

組合一:單側梁段自重增大5%+單側梁段施工時多澆筑2 m混凝土+單側梁底風力+單側梁端梁段施工機具、人群不平衡荷載多150 kg/m。

組合二:單側掛籃作用，并考慮動力系數1.2。

以上述不平衡荷載及組合，檢算梁體結構在施工中的安全性。

以懸臂施工中懸臂長度最大的T構為檢算對象，對其進行懸臂施工安全度檢算。計算模型共分為140個單元，共144個節點，梁體與墩臨時固結，具體計算模型見圖5。

圖5 懸臂施工檢算模型圖

9 結語

設計過程中要嚴格執行規范要求，綜合分析結構控制指標，各項指標參數應嚴格控制在規范允許范圍之內，保證結構性能安全。具體開展工作中，應總體把握、細化分析，研究結構性能指標，全面評定結構性能，確保結構整體及局部性能滿足各階段安全和應用要求。

［1］TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設計基本規范［S］.

［2］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］.

［3］TB 10015-2012，鐵路無縫線路設計規范［S］.