軌道交通新型節段預拼橋梁受力特性研究

方亞非，洪 浩，張劍英，朱鴻欣

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市　200092）

軌道交通新型節段預拼橋梁受力特性研究

方亞非，洪 浩，張劍英，朱鴻欣

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

在上海市軌道交通17號線高架區間，某主跨55m的節段預制拼裝混凝土連續梁橋，采用上U下箱的新型截面。現通過實體有限元模型，分析其各腹板的剪力分配情況，用以指導該橋梁的抗剪設計；同時研究了其橫向受力特性，以指導橫向配筋設計。

上U下箱截面；節段預制拼裝；剪力；橫向受力

1　工程概況

在上海市軌道交通17號線跨越路口及河流區段，首次采用了上U下箱的新型截面梁橋。U梁利用底板支承軌道及列車，腹板兼具隔音屏障的作用，建筑高度低、結構輕巧美觀［1］，然而在跨越部分路口及河道時，橋跨布置超出了簡支U梁的適用范圍，有必要采用連續梁橋進行跨越。為使其景觀效果與鄰近的簡支U梁協調統一，采用上U下箱的新型截面，如圖1所示：中墩附近的截面以箱形為主，箱形截面為主要受力區域；從中墩向邊墩及跨中，截面逐漸由箱形向U形過渡；邊墩墩頂與簡支U梁交接處，連續梁截面完全變為U形。

圖1　新型截面連續梁橋外形示意圖

混凝土橋梁的節段預制拼裝技術，可以加快施工速度，最大限度地減輕對橋位環境影響和交通干擾，易于保證工程質量，且能降低橋梁生命周期成本［2］。考慮到上述技術經濟優勢，該節點橋梁施工采用節段預制拼裝技術：待橋墩施工完成后，在承臺上搭支架澆筑0號塊件；主梁懸拼節段采用短線法預制，吊機逐段懸拼施工；最后合攏中跨，形成連續結構。

上U下箱新型截面連續梁橋結構新穎，結構受力狀態復雜，需要對這種結構形式進行詳細分析。本文通過對某跨徑布置33 m+55 m+33 m的上U下箱新型截面連續梁橋（見圖2）的實體有限元分析，對腹板剪力分配以及橫向受力特性進行了詳細分析，以全面地了解該結構的受力性能，確保結構設計的合理性與安全性。

圖2　新型軌道交通節段預拼橋梁截面圖

2　實體有限元分析

2.1有限元模型介紹

采用ABAQUS軟件進行實體有限元分析，為縮減計算規模、提高計算效率，在中跨跨中截面施加對稱約束建立半橋模型，如圖3所示。混凝土梁體采用C3D8R實體單元模擬，預應力筋采用T3D2桁架單元模擬，預應力筋采用節點固結的方式嵌入混凝土。

圖3　橋梁實體有限元模型

在有限元模型中，按施工步驟分步添加梁體節段并張拉預應力，同時注意施工過程中邊界條件的轉換。

2.2腹板剪力分配

梁跨內的荷載主要通過腹板上的分布剪力進行傳遞，腹板剪力控制著結構抗剪承載力設計。因此，將各腹板劃分成獨立的抗剪區域（見圖4），對各區域的剪力分配情況進行分析。中腹板剛度最大，大致等于U腹板1、U腹板2、箱腹板1及箱腹板2的剛度之和。

圖4　截面抗剪區域劃分示意圖

當橋梁對稱懸拼至最大懸臂狀態時，墩頂附近上U下箱形截面剪力最大。偏保守地不考慮預應力的作用，僅計入自重。表1列出了各截面腹板區域的剪力分配情況，其中距中墩墩頂1 m的截面為橫隔梁邊界，距中墩墩頂3.2 m的截面為現澆段中間位置，其余截面為預制節段接縫面。

表1　各截面腹板區域承擔的剪力一覽表

由表1可得出以下結論：

（1）中腹板承擔的剪力最大，大致相當于其他各腹板承擔的剪力之和。可見，各腹板剪力的分配與腹板自身剛度有關，腹板剛度越大則承擔的剪力越大。

（2）中墩墩頂附近箱形截面為主的區域，箱形截面的3道腹板承擔了50%以上的剪力，而U腹板承擔的比例很小。這表明，中墩墩頂附近的梁體，箱梁受力特征顯著。

（3）遠離中墩的位置，梁體截面中箱形部分結構高度不斷減小，上方U形部分占據截面的比例逐漸增加，截面剪力也相應地由箱梁承擔轉移到U梁承擔，U梁受力特征顯著。

2.3橫向受力特性

既有研究表明，槽型梁橋道床板沿縱向產生的裂紋是其主要病害之一，此病害主要緣于較大的橫向彎矩［3］。對于本文研究的上U下箱形新型截面梁，這里重點關注其橫向受力。

在自重及預應力作用下，上U下箱形變截面連續梁頂板橫向正應力如圖5所示。

圖5　頂板橫向正應力分布云圖

頂板橫向正應力最大值位于中墩墩頂截面，該截面的橫向正應力分布如圖6所示。頂板上部受拉、下部受壓，懸臂板橫向拉應力峰值3.9 MPa。

圖6　中墩墩頂橫向正應力分布云圖

而在遠離墩頂的U形截面處，如圖7所示，U形截面的底板同樣上部受拉、下部受壓，中腹板與底板隅角處橫向拉應力最大，達到0.9 MPa。

圖7　U形截面部分橫向正應力分布云圖

上述分析表明，中墩附近的截面以箱形為主，箱體部分剛度較大，橫向受力可比擬成箱體作支承的懸臂結構，懸臂根部最為不利；距中墩較遠的U形截面部分，中腹板剛度較大，橫向受力可比擬成中腹板作支承的懸臂結構，懸臂根部最為不利。

在上述橫向拉應力最大的兩個截面位置，沿橋梁縱向取1 m長的節段，對該區域內的橫向應力進行積分，可以得到橫向彎矩，用以指導橫向配筋設計，結果列于表2。可見，該節點橋梁的橫向配筋安全合理。

表2　橫向彎矩結果一覽表

3　結　語

上U下箱形結合截面是一種兼顧景觀需求、結構受力與設備布置的巧妙組合，通過對軌道交通新型節段預拼橋梁的實體有限元分析，發現其結構受力的主要特點：

（1）各腹板剪力的分配與腹板自身剛度有關，腹板剛度越大則承擔的剪力越大。中墩墩頂附近箱形截面為主的區域，主要表現為箱梁受力特征。遠離中墩的U形截面為主的區域，主要表現為U梁受力特征。

（2）中墩附近的截面，其橫向受力可比擬成箱體作支承的懸臂結構，懸臂根部最為不利；距中墩較遠的U形截面部分，其橫向受力可比擬成中腹板作支承的懸臂結構，懸臂根部最為不利。

［1］張吉，陸元春，吳定俊.槽形梁結構在軌道交通中的應用與發展［J］.鐵道標準設計，2013，（10）:78-82.

［2］Culmo M P.Connection details for prefabricated bridge elements and systems［R］.FHWA-IF-09-010，2009.

［3］黃僑，陳卓異，楊明.槽型梁橋力學性能的研究現狀與展望［J］.中外公路，2013，33（6）:131-135.

U441+.5

A

1009-7716（2016）07-0286-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.085

2016-04-20

方亞非（1971-），男，湖南新化人，博士，教授級高級工程師，從事交通工程設計研究工作。