寧波軌交4號線變截面預應力混凝土連續梁橋設計

尹臻

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

寧波軌交4號線變截面預應力混凝土連續梁橋設計

尹臻

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

設計計算針對主跨為50 m的滿堂支架現澆變截面預應力混凝土箱梁橋，跨徑布置為：30 m+50 m+30 m（上行線路中心線）。介紹了該橋的縱向、橫向、橋面板及徑向力設計等，有關經驗可供相關專業人員參考。

軌道交通；橋梁；滿堂支架現澆；變截面；徑向力

1　工程概況

軌道交通4號線是寧波軌道交通線網中西北至東南的一條重要徑向線，起點站為慈城站，終點站為東錢湖站。線路全長約35.95 km，其中地下線24.45 km，高架線11.2 km，過渡段0.3 km。全線共設25座車站（含9個換乘站），其中地下車站18座，高架車站7座，平均站間距1.49 km；設慈城停車場和東錢湖車輛段。

出入場線跨錦繡東街橋橫跨道路錦繡東街，出入場線跨和通街橋橫跨道路和通街，這兩座橋是整個工程的關鍵性控制節點。出入場線跨錦繡東街橋和出入場線跨和通街橋采用跨徑30 m+50 m+ 30 m的變截面預應力混凝土連續箱梁橋。本文以其中一座跨路口節點橋出入場線跨錦繡東街橋為例，來說明寧波4號線跨路口節點橋的設計。主橋布置見圖1。

圖1　出入場線跨錦繡東街橋立面布置圖（單位：m）

2　設計概況

2.1結構概述

箱梁采用單箱單室截面，寬9.7 m，底板寬度3.426～4.2 m，斜腹板；跨中及邊跨支點處梁高2 m，中支點處梁高3.5 m；三跨橋頂板厚度為0.25 m；箱梁跨中底板厚度0.25 m，邊墩、中墩底板根部厚度0.5 m，箱梁腹板厚度0.4～0.6 m。主梁橫斷面見圖2。

圖2　主梁橫斷面圖（單位：mm）

考慮到現澆法施工可在現場橋位支架立模澆筑，不需預制場地，并且不需大型吊運設備。故本橋采用滿堂支架現澆施工。

本橋梁按“允許出現拉應力但不允許開裂的構件”進行設計。

主梁混凝土采用C55混凝土。普通鋼筋采用HRB400。預應力采用技術指標符合國標《預應力混凝土用鋼絞》（GB/T5224-2014）要求的φs15.20高強度低松弛鋼絞線（標準強度1 860 MPa）；配套錨具技術指標符合國標《預應力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T 14370-2007）；預應力管道全部采用塑料波紋管，技術標準符合《預應力混凝土用塑料波紋管》（JT/T 529-2004）的規定。

2.2列車荷載

按本線列車的最大軸重、軸距及近、遠期中最長的列車編組確定。設計行車速度80 km/h。

4號線列車荷載，列車重車軸重140 kN，最小軸重65 kN。列車長度：按六節編組計算列車活載。列車活載計算圖式見圖3。

圖3　列車活載計算圖式（單位：mm）

遠期每列車編組六輛。每輛車長19.52 m，定距12.6 m，固定軸距2.2 m，車輛最大軸重140 kN，最小軸重65 kN，最大、最小軸重可按每節車長任意排列組合。

列車荷載按列車編組數連續加載，在正符號影響線區段加載時取滿載重，在異符號影響線區段加載時取空載重。

2.3計算模型

結構計算采用Midas Civil 2015軟件，結構計算模型見圖4。

圖4　橋梁結構計算模型圖

3　主梁計算分析

3.1主梁縱向計算分析

3.1.1正截面抗彎強度檢算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）第6.2.2條規定，橋梁構件的正截面強度滿足：

同時，根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）表6.1.5規定：正截面強度檢算時，在主力作用下，安全系數K=2.0，主力+附加力作用下，取K=1.8；當制造工藝不符合工廠制造條件時，安全系數增大10%。本橋采用滿堂支架現澆施工，故安全系數分別為2.2和1.98。

經計算可得，全橋各個截面的正截面抗彎強度滿足要求。

3.1.2斜截面抗剪強度檢算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）附錄C規定，受彎構件斜截面的抗剪強度應滿足：

安全系數K的取值同正截面抗彎強度檢算的取值。經計算可得，主梁斜截面抗剪強度滿足要求。

3.1.3抗裂性及應力驗算

（1）運營荷載作用下正截面混凝土壓應力驗算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）第6.3.10條規定，橋梁構件的正截面壓應力應符合下列規定：

a.主力組合作用下

b.主力+附加力組合作用下

由圖5～圖8可知，在主力組合下，梁體全截面受壓，最大壓應力為13.2 MPa，小于規范限值18.5 MPa；在主力+附加力組合下，梁體最大壓應力為15.8 MPa，小于規范限值20.35 MPa。正截面壓應力能夠滿足規范要求。

圖5　主力組合下，梁體上緣應力圖（單位：MPa）

圖6　主力組合下，梁體下緣應力圖（單位：MPa）

圖7　主力+附加力組合下，梁體上緣應力圖（單位：MPa）

圖8　主力+附加力組合下，梁體下緣應力圖（單位：MPa）

（2）運營荷載作用下正截面混凝土拉應力驗算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）第6.3.11條規定，對允許出現拉應力但不允許開裂的構件：

由圖9、圖10可知，在主力+附加力組合下，梁體上緣全截面受壓，沒有出現拉應力（不考慮梁體兩端應力點）；梁體下緣全截面受壓，沒有出現拉應力（不考慮梁體兩端應力點）。均小于規范限值2.31 MPa，能夠滿足規范要求。

圖9　主力+附加力組合下，梁體上緣應力圖（單位：MPa）

圖10　主力+附加力組合下，梁體下緣應力圖（單位：MPa）

（3）營荷載作用下斜截面主拉應力驗算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）第6.3.12條規定，混凝土主應力應滿足下式規定：

由圖11可知，梁體最大主拉應力位于邊墩墩頂，最大值為2.0 MPa，小于規范限值2.31 MPa，滿足規范要求。

圖11　主力+附加力組合下，梁體主拉應力圖（單位：MPa）

（4）運營荷載作用下，預應力鋼筋最大應力驗算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）第6.3.13條規定，預應力鋼筋最大應力應符合下列規定：

驗算結果表明，鋼絞線應力能夠滿足設計要求。同時計算可以發現，預應力鋼絞線應力幅較小，能夠滿足規范要求。

（5）運營荷載作用下，混凝土剪應力驗算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）第6.3.15條規定，混凝土最大剪應力應符合下列規定：

由圖12可知，混凝土最大剪應力最大值為3.3 MPa，小于規范限值6.29 MPa，滿足規范要求。

圖12　主力+附加力組合下，梁體剪應力圖（單位：MPa）

3.1.4彈性階段主梁變形及剛度驗算

（1）列車靜載撓度《地鐵設計規范》（GB50157-2013）10.2.1條規定鋼筋混凝土與預應力混凝土梁式橋跨結構在列車靜荷載作用下，其豎向撓度應滿足以下規定：

當L≤30 m，撓度容許值L/2 000；

當60 m＞L＞30 m，撓度容許值L/1 500；

當80 m＞L＞60 m，撓度容許值L/1 200。

本橋主跨50 m，撓度容許值為33.3 mm，兩邊跨容許撓度為15 mm和15 mm。

由圖13可知，列車靜載下中跨最大撓度為13.2 mm，小于規范限值33.3 mm；邊跨撓度也小于容許撓度值，滿足規范要求。

圖13　列車靜載下的最大撓度（單位：mm）

（2）預拱度計算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3—2005）規定，恒載+靜活載引起的豎向撓度等于或小于15 mm或者跨度的1/1 600（兩者取大值）時，不設預拱度，本聯橋恒載+靜活載撓度為3.0 mm＜18.75=30 000/1 600，滿足規范不設置預拱度的要求，見圖14。

圖14　恒載+靜活載撓度（單位：mm）

（3）橫向剛度驗算

《寧波城市軌道交通設計技術標準》13.5.16條規定梁式橋跨結構的橫向自振頻率應大于55/L0.8，L為橋梁跨度（m）。計算可知，梁體橫向自振頻率為6.88 HZ，本橋按規范計算的限值為2.4 Hz，大于規范限值，滿足要求。

根據《地鐵設計規范》（GB50157-2013）10.2.3條規定，在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度力作用下，橋跨結構梁體水平撓度應小于計算跨度的1/4 000。按規范計算，梁體水平撓度為0.3 mm，規范限值為12.5 mm，滿足要求，見圖15。

圖15　水平撓度（單位：mm）

（4）軌道安裝后，梁體的收縮徐變值根據《地鐵設計規范》及《寧波城市軌道交通設計技術標準》中的相關規定，預應力混凝土梁的后期徐變拱度或撓度，應嚴格控制線路鋪軌后，拱度或撓度不宜大于10 mm，見圖16。

計算可知，鋪軌后，中跨跨中10 a后收縮徐變撓度為2.9 mm，小于限值10 mm，滿足規范要求。

圖16　鋪軌后徐變上拱及下撓值（單位：mm）

（5）梁端轉角驗算

在靜活載作用下，梁端轉角為 0.067%＜0.3%，滿足規范要求。

3.2主梁橫向計算分析

3.2.1端橫梁計算

表1　端橫梁計算結果匯總表

經計算可得，鋼筋配筋滿足最小配筋率的要求，混凝土最大壓應力為2.26 MPa，遠小于規范規定值σb=18.5 MPa，滿足規范要求。

（2）中性軸處剪應力驗算

經計算可得中性軸處剪應力最大剪應力為1.01 MPa，小于規范規定值σtb=1.10 MPa，可不進行抗剪驗算，僅配置構造鋼筋，滿足規范要求。

（3）鋼筋拉應力驗算

經計算可得，在主力+附加力組合作用下鋼筋最大拉應力為51.88 MPa，小于規范規定值 σs= 230 MPa，滿足規范要求。

（4）裂縫寬度驗算

經計算可得，最大裂縫在支座截面上緣為0.044 mm，小于規范限值0.20 mm，滿足規范要求。3.2.2中橫梁計算

表2　中橫梁計算結果匯總表

（1）混凝土壓應力驗算

經計算可得，鋼筋配筋滿足最小配筋率的要求，混凝土最大壓應力為0.38 MPa，遠小于規范規定值σb=18.5 MPa，滿足規范要求。

（2）中性軸處剪應力驗算

經計算可得中性軸處剪應力最大剪應力為1.08 MPa，小于規范規定值 σtp-2=1.10 MPa，可不進行抗剪驗算，僅配置構造鋼筋，滿足規范要求。

（3）鋼筋拉應力驗算

經計算可得，在主力+附加力組合作用下鋼筋最大拉應力為9.78 MPa，小于規范規定值σs= 230 MPa，滿足規范要求。

（4）裂縫寬度驗算

經計算可得，最大裂縫在支座截面上緣為0.008 mm，小于規范限值0.20 mm，滿足規范要求。

3.2.3橋面板強度驗算

橋面板強度采用Midas Civil 2015進行計算，計算時考慮車輪荷載分布寬度，取單位長度橋面板進行計算。計算模型見圖17。

圖17　橋面板計算模型

根據規范對橋面板混凝土壓應力、剪應力，鋼筋拉應力以及裂縫寬度進行驗算，均滿足規范要求。

3.2.4底板徑向力計算

預應力變截面混凝土箱梁橋底板崩裂主要是由底板預應力束的等效徑向力引起的，故需進行相關的驗算。結構計算采用Midas Civil 2015軟件，結構計算模型見圖18。

圖18　底板徑向力計算模型

底板徑向力最不利處為中跨跨中斷面，其徑向力為N/R=19.8 kN/m。根據規范對底板混凝土壓應力、剪應力，鋼筋拉應力以及裂縫寬度進行驗算，均滿足規范要求。

4　結語

本文結合寧波市軌道交通4號線工程對滿堂支架現澆變截面預應力混凝土箱梁橋的設計分析進行了詳細介紹，為國內外類似工程的設計與施工提供了有益的經驗。

U448.21+5

B

1009-7716（2016）06-0079-04

2016-03-04

尹臻（1989-），男，山東萊陽人，助理工程師，從事橋梁設計工作。