某小曲線大跨度剛構連續梁靜力計算分析

曹文杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

某小曲線大跨度剛構連續梁靜力計算分析

曹文杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要由于小曲線半徑連續梁受力較為復雜，空間效應明顯，為提高小曲線半徑連續梁的抗傾覆能力，結構采用了剛構-連續組合梁的結構形式。通過采用ASCB，MIDAS，ANSYS等分析程序，按有限元法模擬各施工階段及運營階段工況，計算各施工階段及運營階段各截面的內力、應力及變形等，分析軌道交通小曲線半徑剛構-連續組合梁的結構受力特點。

關鍵詞有軌電車連續-組合梁小曲線半徑

近幾年來，城市新型公共交通系統不斷發展，現代有軌電車項目在這種趨勢下也得到蓬勃發展。有軌電車在線路線形設計上更趨近于市政道路設計，因此，為更好地適應城市道路，線路設計上會經常采用到小曲線半徑。小曲線半徑對于高架橋梁設計的影響很大，為此，筆者擬結合某有軌電車項目中的具體工點設計，對軌道交通小曲線半徑連續梁結構的受力特點進行分析[1-2]。

1工程概況

該有軌電車正線在右DK13+475處上跨某運河，夾角約23°。該運河航道凈高不小于4.5 m，凈寬不小于40 m。為滿足通航要求，同時保證主橋與周圍自然環境的景觀效果，設計采用36 m+60 m+36 m連續-剛構梁跨越運河，其中60 m主跨一跨跨越運河，2主墩均位于駁岸線以外；本梁采用掛籃懸臂澆筑施工。橋梁平面布置見圖1。

圖1　平面布置圖

由圖1可見，主橋位于曲線上，全梁梁體基本都在圓曲線范圍內，曲線半徑R=150 m；橋上雙線，線間距4.434～4.403 m。梁上縱坡分為2段(均為上坡)，一段為42‰縱坡，一段為3.4‰縱坡。橋上運行按7模塊編組的有軌電車荷載。

2結構構造

主梁為預應力混凝土結構，單箱單室變高度箱形截面。邊跨直線段及中跨跨中梁高2.0 m，中支點截面梁高為3.8 m，變高梁段底板按圓曲線變化，圓曲線半徑R=215.578 m。全橋箱梁頂寬9.2 m，箱梁底寬5.2 m。頂板厚27 cm，腹板厚分別為40，70 cm，底板厚由跨中的28 cm按圓曲線變化至中支點梁根部的50 cm，中支點處加厚到80 cm。主梁輪廓見圖2，邊、中支點截面見圖3。

圖2　結構總體輪廓圖

圖3　邊支點及中支點處梁部半截面(單位：cm)

全梁共設5道橫隔梁，分別設于中支點、端支點和中間跨跨中截面。主梁除0號梁段(長10 m)、邊孔直線梁段(長4.9 m)在支架上施工外，其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑。

為提高小曲線半徑連續梁的抗傾覆能力，結構采用了剛構-連續組合梁的結構形式，小里程中墩與主梁固結。固結橋墩采用矩形橋墩，墩頂截面尺寸為：5.2 m(橫向)×2.4 m(縱向)，墩底截面尺寸為：3.2 m(橫向)×2.4 m(縱向)，為與梁部平順銜接，橋墩采用圓弧過渡；下部基礎采用承臺樁基礎。

3上部結構計算分析

剛構-連續組合梁的縱向計算分別采用ASCB(平面模型，模擬成梁單元)、MIDAS(空間模型，模擬成梁單元)、ANSYS(空間模型，模擬成實體單元，側重于對曲線梁腹板內外側正應力分析)等分析程序，按有限元法模擬各施工階段及運營階段工況，進行計算分析。以下著重對運營階段受力進行分析[3-5]。

(1) ASCB程序支點反力計算結果。見表1(不含固結墩)。

表1　ASCB程序支點反力計算結果　kN

(2) ASCB程序應力及正截面強度計算結果[6]，見表2。

表2　ASCB程序應力及正截面強度計算結果

(3) MIDAS程序支點反力計算結果，見表3(不含固結墩)。

表3　MIDAS程序支點反力計算結果　kN

(4) ANSYS程序支點反力計算結果。本模型混凝土采用solid45實體單元建模，預應力鋼索采用link8單元建模。鋼索與混凝土采用約束方程連接，鋼索采用降溫法施加預應力。本模型所施加荷載為自重+預應力+二恒+活載。提取了各支座的支反力，見表4。同時，提取各典型截面的順橋向正應力分布見圖4。

表4　ANSYS程序支點反力計算結果　kN

圖4　各典型截面正應力分布圖(單位：Pa)

另外，通過在ANSYS中提取各關鍵截面的內外腹板平均剪應力分布結果。通過內外側平均剪應力比值發現，內外腹板剪力有一定的不均勻性，在抗剪設計配筋時應予以注意。腹板平均剪應力計算結果見表5。

表5　腹板平均剪應力計算結果　MPa

提取各跨中截面頂板、底板肋板處的正應力分布情況，用以對比內外側肋板處正應力比值(表6中數值均為壓應力)。根據表6可知，內外側正應力分布相對較為均勻，最大比值為1.12。建議以該系數作為放大系數進行驗算和配筋。

表6典型截面內、外側肋板正應力計算結果MPa

截面位置外腹板內腹板比值(大/小)大里程邊跨跨中頂板6.146.901.12底板8.549.351.10中跨跨中頂板12.4811.591.08底板11.3810.211.11小里程邊跨跨中頂板6.796.291.08底板9.569.061.05

支反力結果分析：以6號墩為例，主力作用下，曲線內側支反力為外側的1.55倍(ASCB)，1.27(midas)，1.30(ansys)，曲線引起的彎扭效應明顯，在下部結構設計中須引起足夠重視；恒載作用下，曲線內側支反力為外側的1.55倍(ASCB)，1.33(midas)，內側支反力明顯大于外側；活載作用下，曲線內側反力最大1 180 kN(ASCB)，1 097 kN(midas)，外側最小反力-40.3 kN(ASCB)，-29.0 kN(midas)，外側出現了拉力。

應力結果分析：局部應力計算結果顯示，對應于直線梁，小曲線半徑梁的剪應力和正應力存在不同程度的增大，曲線內外側腹板剪應力最大比值2.09，正應力最大比值1.12，在普通鋼筋的計算和配置中需加強。

4結語

通過ASCB，MIDAS，ANSYS 3個程序對主跨60 m小曲線半徑剛構連續梁的計算，著重從支反力和應力2個方面闡述梁的受力情況，驗證了3個程序計算出的小曲線半徑梁內、外側支反力雖有誤差，但相差不大且變化趨勢一致；但是考慮到小曲線半徑梁受翹曲、扭轉變形影響大，有必要通過ANSYS進行實體分析，掌握曲線內外側腹板應力分布狀況，合理配置普通鋼筋。目前在軌道交通中，同類型的橋梁尚不多見，本工程通過實例對小曲線大跨度剛構連續梁靜力進行計算分析，以期為同類橋梁的建設提供參考、借鑒。

參考文獻

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收稿日期：2015-03-11

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.020