鐵路小半徑曲線轉體槽形梁設計研究

周津斌 楊克鑒 田子瀚

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司 天津 300308)

1 研究背景

槽形梁具有建筑高度低、后期運營維護費用低、列車噪聲污染小等特點，底板作為行車道板，邊主梁作為主要受力構件，在凈高受限的跨越工點上被鐵路橋梁普遍采用。目前鐵路槽形梁大多采用現澆施工，但位于小半徑曲線上采用轉體施工的連續槽形梁并不多見，針對下承式薄壁開口截面的受力特點，有必要對關鍵問題進行研究。

2 基本概況

2.1 橋址條件

工程位于內蒙古通遼，為京通鐵路跨越既有大鄭線及新建大鄭疏解線而設。既有大鄭線為雙線電氣化鐵路，斜交角度149°，相交處既有鐵路路基填土高度2.3 m。新建大鄭疏解線為電氣化單線鐵路，斜交角度143°，相交處路基填土高度3.7 m。

橋址位于西遼河沖積平原，地勢遼闊坦蕩，海拔200～300 m[1]。橋址區地層主要為第四系上更新統沖洪積粉土、細砂、粉砂(局部為細砂)、粉質黏土。地震動峰加速度Ag＝0.1 g，動反應譜特征周期Tg＝0.45 s，土壤最大凍結深度1.5 m。所在地氣溫變化較大，通遼地區最冷月平均氣溫－15℃，最熱月平均氣溫24℃，初始溫度按10℃考慮，極端最低氣溫－20℃，屬于嚴寒地區。

2.2 主要技術標準

單線，設計時速V＝120 km/h；主橋位于i＝－5.2‰的縱坡及半徑R＝800 m的圓曲線上；設計活載為中－活載。

3 設計概況

3.1 孔跨及橋型擬定

受平面控制，采用40 m跨度跨越新建大鄭疏解線，56 m跨度跨越既有大鄭鐵路。受縱斷面限制，綜合考慮跨越凈空、地形條件、地質氣象等控制因素后，采用(40＋56＋40)m預應力鋼筋混凝土槽形梁，現澆部分梁段后平轉施工，橋跨布置及轉體施工現場見圖1、圖2。

圖1 橋跨布置(單位:cm)

圖2 轉體施工現場

3.2 上部結構

3.2.1 槽內凈寬及橋面布置

槽內凈寬主要受建筑限界、風壓帶寬度、電纜通道、人行通道等幾個要素控制[2]，合理制定槽內凈寬對確定梁體的整體寬度、墩頂寬度及工程造價至關重要。本梁前后銜接簡支T梁，線路中心線距擋砟墻內側為2.25 m；并考慮檢修人員的避車空間，槽內人行道寬度為1.05 m，兩側設0.15 m寬欄桿扶手。通過以上原則最終確定槽內凈寬6.9 m，槽頂寬度受邊主梁局部加寬影響為6.6 m。本梁不單獨設電纜槽，電纜放置于人行道步板下的空間內。為便于養護維修，兩側箱形邊主梁頂設人行道及欄桿，梁端設從橋面板至邊主梁頂的爬梯，接觸網立柱因受建筑限界控制設于邊主梁頂。橋面布置見圖3。

圖3 橋面布置面(單位:cm)

3.2.2 主梁構造

主梁按半徑800 m的圓曲線曲梁曲做，采用C55混凝土。考慮主梁的扭轉及縱向鋼束的布置，側腹板采用抗扭剛度較大的箱形截面，以增強槽形梁整體性及橫向剛度[3]。邊支座中心線距梁端0.55 m，邊支點與中跨跨中梁高3.5 m，中支點梁高5.4 m(含支點處橫梁高度0.8 m)，邊主梁頂由支點向跨中按R220.55 m的圓曲線變化。梁底寬11.3 m，槽內凈寬6.6 m。為將梁體荷載傳遞給支座，避免局部應力過大，采取適當加厚腹板和底板的措施[4]。箱形邊主梁的腹板厚度為0.4～0.45 m，按折線變化，頂板厚度0.47 m。行車道板最小厚度0.6 m。支點設高1.4 m的橫梁，邊支點處寬為1.5 m，中支點處寬為3.0 m。典型橫截面尺寸見圖4。

圖4 半中支點－半跨中橫截面(單位:cm)

3.3 下部結構

橋墩采用圓端型實體墩，主墩采用12根1.25 m鉆孔灌注樁。為減小施工對既有線運營影響，承臺采用八角形且部分高度露出地面，受轉體裝置受力及構造要求控制，厚度為6.1 m。

3.4 轉體裝置

轉體裝置選用轉體支座，轉體系統立面圖及平面圖見圖5、圖6。

圖5 轉體系統縱向立面圖(單位:cm)

圖6 轉體系統平面圖(單位:cm)

(1)下轉臺為C50鋼筋混凝土結構，高2.5 m，設置轉體裝置、撐腳的環形滑道。

(2)轉體裝置選用ZTQZ-50 MN型支座，底座高度為55 cm，采用地腳螺栓＋套筒螺桿的連接方式。

(3)每個上轉臺下設有8組撐腳，每組撐腳為雙圓柱形，下設30 mm厚鋼走板。在撐腳的下方設有1.1 m寬的滑道，滑道中心線半徑4.5 m。

(4)上轉臺為C50預應力混凝土結構，在整個轉體過程中形成多向、立體的受力狀態，上盤布有縱、橫、豎三向預應力鋼筋。轉臺為八邊形，高2.0 m，轉盤直徑10 m。轉臺內預埋轉體牽引索，牽引索的預埋端采用P型錨具，同一對索的錨固端在同一直徑線上并對稱于圓心。

(5)轉體總重量為35 000 kN；啟動時所需最大牽引力為227.5 kN，轉動時所需要最大牽引力為136.5 kN。

3.5 施工方法

在既有線兩側支架現澆后轉體施工。共分9個節段澆筑，第一段為中支點兩側在支架上各現澆12 m，第二段為在支架上繼續向兩側現澆13 m，脫架后進行轉體，就位后采用封閉吊架澆筑中跨2 m合龍段，最后在支架上現澆剩余邊跨節段13.55 m。

4 設計要點

4.1 箱形邊主梁的雙向日照溫差影響

開口截面的槽形梁由于日照輻射面積大，對環境中的溫度變化極為敏感。不同于箱梁的懸臂板能夠有效遮擋水平日照輻射對腹板的影響，槽形梁的箱形邊主梁的側面完全暴露，應充分考慮沿梁寬方向的日照溫差影響。受日照輻射作用影響，槽形梁頂板溫度變化值最大，腹板次之，底板最弱[5]。對于本橋邊主梁，根據所處的地理位置及方位角確定單向豎向溫差20.4℃；雙向溫度組合按豎向溫差13.7℃，沿梁寬方向溫差16.3℃。對于本橋行車道板，由于上鋪設防水層及道砟的隔熱作用，利于降低非線性溫差對結構的影響，豎向溫差按10℃考慮。

4.2 剪力滯效應及有效寬度

與普通上承式梁相比，槽形梁結構受扭作用較大，在主梁腹板與道床板的連接角隅部位，主拉應力和剪應力都較大[6]。本橋行車道板橫向跨度較寬，主梁寬跨比較大，應對彎曲應力的橫向分布曲線(見圖7)進行分析，考察其剪力滯效應，校核設計采用的有效寬度，使折減后的寬度按初等梁理論算得的應力值和實際峰值接近。

圖7 縱向應力沿橋面橫向分布曲線

通過圖7所示平均應力與最大應力的比值得出各部位的有效寬度系數，并與鐵路規范[7]中箱梁截面有效寬度折減系數的計算方法進行對比。由表1可知，通過模型得出的有效寬度系數在中支點與規范結果最為接近，邊支點及跨中比規范結果稍小。兩種計算方法的剪力滯受力特征一致，即中支點剪力滯效應最大，其次為邊支點，跨中影響最小。

表1 有效寬度計算結果對比

4.3 彎扭耦合影響及縱向計算

槽形梁為邊主梁與行車道板組成的空間結構，本橋位于半徑800 m的小半徑圓曲線上，荷載從行車道板傳向邊主梁，不僅引起主梁的彎曲，結構還要同時承受協調扭轉力矩和平衡扭轉力矩。鑒于鐵路預應力混凝土梁多按不出現拉應力設計，主梁協調扭轉力矩不考慮行車道板開裂引起的內力重分布影響，因此認為混凝土槽形梁主梁上始終存在彎扭耦合的力學現象[8]，故本橋采用箱形邊主梁增強結構的抗扭剛度。現行鐵路橋涵設計規范對于混凝土受扭構件無具體要求，設計時參考相關規范[9]按彎剪扭構件檢算。

采用“橋梁博士”有限元程序建立平面桿系模型，因程序局限性無法考慮扭矩效應，通過偏心率推算考慮曲線梁偏載系數；采用MIDAS有限元程序建立單梁及梁格模型，其中梁格模型箱形邊主梁的兩道腹板和橋面板沿縱向分為5個單元，橫向剛度連接且不考慮質量。梁部按全預應力構件設計，縱向計算結果對比如下:

從表2和表3中可以看出，中支點最大差值1.91 MPa，主跨跨中最大差值0.95 MPa，主要為不同有限元分析軟件的差異所致，但各項計算指標均滿足規范要求，且具有較大的壓應力安全儲備。

表2 運營階段正應力對比(一) MPa

表3 運營階段正應力對比(二) MPa

4.4 轉體過程中最大懸臂狀態的梁體受力

橋梁受力狀態是與施工過程緊密聯系的[10]。與常規槽形連續梁在支架上全階段現澆施工有所不同，本橋為現澆完成6個節段后脫架轉體，合龍前下承式薄壁開口截面存在(27＋27)m的曲線T形懸臂狀態，且施工中承受不平衡重及梁部豎向不平衡風力等不利因素，有必要對此階段的梁體受力進行分析[11]。

由表4可知，主梁在合龍前轉體過程中的最大懸臂狀態下，截面未出現拉應力，安全儲備較好。

表4 施工階段最小正應力對比 MPa

4.5 曲線梁轉體時橫向偏載影響

對于曲線轉體梁，除少量的偏心可通過配重解決外，還需采用設置橫向預偏心的方法解決曲線橋梁面外不平衡彎矩[12]。本橋位于小半徑圓曲線，曲梁曲做且轉體時懸臂狀態長度較長，橫橋向結構重心與橋墩中心偏離，加之施工過程中的臨時荷載及風力影響，大懸臂狀態下一旦出現不平衡將會引起梁體傾斜，甚至發生轉體支座被剪壞，外環撐腳局部受壓破壞等現象[13]。故通過設置偏心來保證轉體過程中的結構平衡，優化轉臺及轉體支座受力。設計中橫橋向橋墩中心應相對上轉臺中心向曲線外側設置偏心，上轉臺及轉體支座中心與下轉臺中心重合。

4.6 0號段局部分析

槽形梁的受力狀態呈現出明顯的空間受力特性，單純依靠一般的桿系結構分析難以準確分析結構的應力狀態，尤其是局部應力狀態，有必要進行空間結構分析。

對12 m長0號梁段建立實體模型，分析結果表明(扣除預應力施加的局部應力集中影響):

(1)中橫梁頂面與腋角交接處出現拉應力，需局部加強鋼筋。

(2)縱橋向應力，最不利受壓狀態時，腋角處最大壓應力為13.3 MPa，滿足規范要求；人孔上、下中橫梁部位出現少許拉應力0.8 MPa，局部需加強鋼筋。

(3)在橫向預應力作用下，行車道板頂底均處于受壓狀態，壓應力在2.75～3.60 MPa。

4.7 轉體結構分析

建立上、下轉臺的實體模型，墩高取2 m、上轉臺、轉體支座、墊石、下轉臺及樁基礎進行轉體階段受力分析。

分析結果表明:

(1)上轉臺為預應力結構，順橋向應力0.78～－5.26 MPa、橫橋向應力 0.16 ～1.98 MPa，正應力均為壓應力，全截面不出現拉應力，主拉應力最大值0.9 MP，主壓應力最大值6.23 MPa。

(2)轉體裝置底座，最大壓應力13.2 MPa，最大拉應力－1.52 MPa，拉應力出現在墊石頂，需局部加強鋼筋布置。

(3)下轉臺為鋼筋混凝土結構，最大壓應力6.57 MPa，最大拉應力－1.11 MPa。轉臺頂面及樁頭處出現拉應力，需局部加強鋼筋布置；最大主拉應力2.68 MPa，出現在轉臺底面中心，拉應力值向頂面遞減，需加強局部鋼筋，最大主壓應力7.85 MPa。

5 結語

新建京通疏解線特大橋(40＋56＋40)m轉體施工的曲線連續槽形梁，為京通鐵路電氣化改造工程的重點控制性工點，也是國內首座應用于轉體施工的鐵路連續槽形梁，于2017年7月合龍，2019年通車至今運營狀態良好。該橋結構特點為小曲線半徑的下承式薄壁開口截面，面臨箱形邊主梁的雙向日照溫差影響、開口截面的小曲線半徑梁彎扭耦合影響、邊主梁與行車道板連接處的剪力滯效應及有效寬度確定、轉體過程中最大懸臂狀態的梁體受力、曲線梁轉體時橫向偏載引起的梁體傾斜等問題。通過結構分析和優化設計，解決上述關鍵技術，研究成果可為同類工程提供一定參考。