跨座式連續剛構軌道梁橋施工過程受力分析

周 剛 （蕪湖市軌道（隧道）交通工程質量安全監督站，安徽 蕪湖 241000）

0 前言

城市軌道橋梁布置存在線路曲線段多，相交道路、河道、鐵路多，橋梁沿線管線情況復雜等諸多建設條件的制約，因此對橋梁的跨越能力有較高的要求[1]。跨座式單軌交通具有對線路變化的良好適應能力，以及占地面積少、運行噪音小、景觀效果好的優點，在城市軌道交通系統中的應用日益廣泛[2]。目前，跨座式單軌交通橋梁主要有簡支體系和連續剛構體系[3-4]，簡支體系構造簡單，受力明確，便于預制與吊裝架設，但由于PC簡支梁橋跨結構整體剛度性能較差，因此對支座及伸縮裝置有極高的要求，且由于結構受力特點的限制，簡支軌道交通橋梁橋跨不宜超過22m[5]。而剛構體系軌道梁橋可有效解決跨座式單軌橋梁跨越能力不足的問題[6]。連續剛構軌道梁橋是一種墩梁固結的混凝土變截面梁式橋，具有結構整體受力特性好，抗彎、抗扭剛度大，承載力高等優點，并且省去了支座的中介傳力部件，減少了伸縮縫數量，行車較為方便，已廣泛應用于橋梁建設中[7-8]。

為保障跨座式連續剛構單軌交通工程施工質量安全，對跨座式單軌交通工程連續剛構預應力混凝土軌道梁施工過程分析研究具有重要的工程指導意義。本文結合蕪湖市軌道交通2號線一期工程實例，利用有限元分析軟件Ansys，對跨座式連續剛構單軌交通軌道梁橋各個關鍵施工階段和成橋階段進行靜力分析，以期指導施工過程的安全風險分析及施工監控方案設計。

1 工程概況

蕪湖市軌道交通2號線一期工程區間軌道梁結構為后張法預應力混凝土連續剛構，采用先簡支后連續的施工工藝。其中簡支PC梁采用工廠預制、現場吊裝架設，PC梁與橋墩固結段采用現澆施工。蓋梁按部分預應力構件設計，墩柱為鋼筋混凝土結構，墩柱與蓋梁均采用現澆施工。PC連續剛構軌道梁采用實心矩形截面，跨中梁高1.6m，支點梁高2.2m，梁寬0.69m。預制部分梁體混凝土強度等級為C60，但要求混凝土彈性模量達到Ec=3.75×104MPa。現澆部分及封錨混凝土強度采用強度等級為C50的干硬性補償收縮混凝土。預應力鋼絞線強度級別為1860MPa，低松弛。

根據工程先簡支后連續的施工特點，計算的施工過程包括兩個關鍵施工階段和成橋狀態的計算。第一個關鍵施工階段是軌道梁的簡支階段，首先由梁廠進行簡支梁部分的預制施工及預應力張拉工作，然后吊裝預制軌道梁就位，此時軌道梁呈簡支狀態，每跨梁梁端采取臨時措施確保軌道梁穩定。第二關鍵施工階段是軌道梁簡支轉連續的階段，澆筑墩頂現澆段混凝土，并張拉梁端間短預應力鋼束，使之由分別獨立的3跨簡支梁轉化為3跨連續的橋梁結構。

2 有限元模型建立

2.1 有限元建模

利用通用有限元分析軟件Ansys進行建模。針對該結構的受力特點，采用Beam188單元模擬混凝土，所建模型為一聯3跨，共有梁單元142個，節點148個；其中用于模擬墩頂現澆段的“生死”單元8個。Beam188單元適用于分析細長的梁，為二節點的三維線性梁單元。Beam188單元自由度的數目是由Ansys中的命令Keyopt（1）來控制的。當Keyopt（1）=0時，Beam188單元每個節點有6個自由度，分別是沿x，y，z軸的位移及繞各軸的轉動。當Keyopt（1）=1時，則會增加第七個自由度，即翹曲量。Beam188單元能很好的應用于線性分析，適用于本結構的受力特點。圖1為Beam188單元三維圖示。

用Ansys建立計算模型時，首先建立成橋狀態的幾何模型，然后通過Ansys的生死單元功能模擬施工階段。第一關鍵施工階段軌道梁的簡支狀態需通過Ansys的生死單元功能“殺死”墩頂現澆段的梁單元，并將“死”自由度約束住來實現。計算時選用等效荷載法對預應力效應進行模擬。模擬第二關鍵施工階段軌道梁結構的連續時，則首先需激活墩頂現澆段的梁單元，然后施加梁端之間的預應力等效荷載。利用Ansys進行計算時，用時間步的技術來處理。橋梁的整體有限元模型如圖2所示。

圖1 BEAM1883-D單元圖

圖2 跨座式單軌梁橋有限元模型

2.2 計算荷載

按規范[9]取值的荷載包括：永久荷載、可變荷載。計算過程中主要分析豎向的荷載作用，包括結構構件自重，線路上附屬設施（通信信號、供電及接地系統等自重）組成的二期恒載和單軌車輛設計活載。動荷載主要考慮單軌車輛設計荷載、列車沖擊荷載、軌道離心力荷載、混凝土的徐變影響、混凝土的收縮影響。單軌車輛設計活載布置如圖3所示，其中P=138kN。

附加荷載：列車制動荷載及啟動荷載，風荷載、溫度變化的影響。

荷載取值：根據相關經驗，輕軌橋梁設計常規取值。

圖3 單軌車輛設計活載布置（單位：mm）

3 關鍵施工階段的受力分析

整個計算考慮兩個關鍵施工階段。第一個關鍵施工階段是吊裝架設預制軌道梁的階段，軌道梁呈簡支狀態；第二個關鍵施工階段是簡支轉連續的階段，在第二關鍵施工階段完成橋梁結構體系的轉換。下面列出關鍵施工階段部分位移及應力結果，如圖4、圖5及表1所示。

圖4 第一關鍵施工階段豎向位移

圖5 第二關鍵施工階段豎向位移

施工階段截面應力（單位：MPa） 表1

由計算結果可知，該軌道梁結構完成體系轉換后豎向撓度減小，其最大豎向撓度和應力狀態在施工階段均較小。簡支狀態下，軌道梁跨中截面上緣受壓、下緣受拉，墩頂截面上緣受拉、下緣受壓；完成體系轉換后，到第二施工階段，軌道梁在跨中和墩頂截面均處于全截面受壓狀態。

4 成橋狀態的受力分析

成橋狀態下的結構受力分析根據規范[9]，考慮如下的兩種荷載組合。

①主力組合：恒載＋活載＋預應力荷載＋混凝土收縮徐變＋基礎不均勻沉降；

②主力＋附加力組合：主力＋溫度荷載。

各組合內力結果如圖6～圖9所示。

該軌道梁結構成橋狀態豎向位移及應力結果，如圖10及表2所示。由計算結果可知，該大橋成橋狀態的應力狀態是滿足規范[9]要求的。在單軌車輛設計活載的作用下，軌道梁的最大豎向位移為23mm，滿足規范[10]中豎向位移最大不超過跨度1/800的規定。

圖6 成橋狀態主力組合彎矩

圖7 成橋狀態主力組合剪力

圖8 成橋狀態主力+附加力組合彎矩

圖9 成橋狀態主力+附加力組合剪力

圖10 成橋狀態豎向位移

成橋狀態截面應力（單位：MPa） 表2

5 結語

蕪湖市軌道交通2號線一期工程區間采用連續剛構PC軌道梁結構設計，采用先簡支后連續的施工工藝，其軌道梁結構在施工階段和成橋狀態的受力變形均能較好地滿足相關規范的要求，在工程施工過程中，特別是體系轉換前的第一個關鍵施工階段，混凝土截面出現拉應力，應做好監控監測工作。體系轉換后和成橋后，結構全截面受壓，應力和變形均小于規范限值，滿足安全要求。