35m轨道交通槽形梁设计

苏 国

1 概述

预应力混凝土槽形梁(简称槽形梁)是一种下承式预应力混凝土桥梁结构，由道床板、主梁及端横梁等部分组成。从道床板上通行的线路来分，可分为单线槽形梁与双线槽形梁。按端部支承情况，则可以四点支承，也可以做成满布支承。

与普通桥梁相比，槽形梁具有比较鲜明的特点:可以显著降低结构建筑高度;主梁腹板能有效抑制噪声的传播;主梁还可以作为挡板，防止车辆倾覆，兼作人员逃生通道等［1］。

2 槽形梁受力特点

槽形梁属于一种复杂的空间板梁组合结构，在结构受力上，槽形梁作为一种下承式预应力混凝土结构，具有开口薄壁构件受扭性能差，主梁腹板受力与桥面板连接构造复杂，桥面板弯矩受主梁的扭转刚度影响较大等特点。目前国内轨道交通中槽形梁跨径一般不超过30m，但在跨越城市道路等节点时对跨越能力有更高的要求，本文结合具体轨道交通项目，设计研究35m跨径轨道交通槽形梁，通过大型有限元软件ANSYS建立实体空间模型，分析槽形梁的受力特性，为设计提供指导依据，并在此基础上通过杆系模型进行具体的梁体设计计算。

3 主要设计过程

本次槽形梁拟定断面构造如图1所示。

3.1 空间有限元分析

1)有限元模型。实体单元模型采用通用有限元软件ANSYS进行计算，混凝土单元采用Solid45实体单元模拟，预应力钢绞线采用Link8单元进行模拟，另外利用Surf154单元进行二期面荷载加载。有限元模型如图2，图3所示，Solid45实体单元19320个，Link8单元1680个，Surf154单元2520个，全桥共计23520个单元，27804个节点。

2)成桥状态结果分析。图4为成桥状态时梁体的整体变形图，可以看出薄壁开口构件的变形特征，腹板抗扭性能偏弱，在跨中附近，腹板敞口向两侧扩大的变形，而在梁端附近，腹板顶部有向内侧的变形。图5为成桥阶段跨中截面顺桥向正应力云图，跨中为全截面受压，应力状态较好。图6为成桥阶段跨中截面横桥向正应力云图，底板的横向受力可以按照两端嵌固在腹板底部的单向板计算，横向跨中承受正弯矩，在腹板位置附近承受负弯矩，由于槽形梁为薄壁开口构件，腹板对底板的嵌固作用较弱，从应力云图中可以看出，跨中板顶、底面横向应力较大，而在梁肋处应力并不是很大，所以本梁的底板横向配筋不能完全参照《公路混凝土规范》第4章4.1.2条采用［2］，建议底板横向跨中配筋按照两端简支的简支板进行设计，而梁肋处的弯矩可以按照规范偏保守设计，本梁底板横向没有配置预应力，为保证梁体的耐久性，应严格控制底板横向受力裂缝宽度，上海市轨道交通11号线南段的槽形梁横向裂缝控制在0.1 mm之内，因此本梁的横向配筋参考这一标准，裂缝控制在0.1 mm左右，较规范值偏保守。

3.2 平面梁体设计

1)构件类型。

槽形梁属于一种复杂的空间板梁组合结构，具有较为明显的空间受力特性，经过三维空间模型分析，可以将设计过程简化为常规顺桥向、横桥向的平面模型设计，本槽形梁纵向为后张法预应力混凝土构件，按照全预应力混凝土构件设计。横向为普通钢筋混凝土构件，按照普通钢筋混凝土构件设计。采用地铁A型列车。

结构重要性系数:设计安全等级取一级，相应地，结构重要性系数γ0=1.1;容重:槽形梁混凝土容重为26 kN/m3，计算中不再计入钢筋及预应力钢绞线重量;混凝土与普通钢筋材料:梁体结构采用C55号混凝土，普通钢筋主要采用HRB335;预应力钢束:采用高强度低松弛钢绞线φs15.2(符合GB/T 5224-2003)的预应力钢绞线，每个张拉端钢束锚固时弹性回缩合计总变形ΔL=6 mm;钢束编束方式有M15-12，M15-7两种，其成孔面积分别为6082 mm2，4186 mm2;为减少预应力钢绞线的沿程损失σL1，采用较新的预应力施工工艺:a.预埋塑料波纹管;b.真空灌浆系统。此时，管道每延米局部偏差对摩擦的影响系数k取0.0015，预应力钢筋与管道壁的摩擦系数μ取0.15;约束与变形:对于顺桥向计算，根据支座顺桥向位置形成简支约束;对于横桥向计算，根据主梁中心位置形成简支约束;一期恒载:即为构件自重，二期恒载:主要为整体道床重量，对于顺桥向平面计算，取为14.2 kN/m;对于横桥向平面计算，取为7.1 kN，集中力作用在距跨中0.75m的两侧节点位置上。桥面铺装按平均40mm(密度24 kN/m3);列车荷载:采用地铁A型列车;动力系数:动力系数(1+μ)根据《铁路基本规范》［3］计算。

2)纵向计算。

建立平面有限元模型如图7所示，成桥状态下顺桥向平面计算得到的组合正应力和主应力分布如图8所示。

3)横桥向计算。

对于横桥向平面计算，因为列车荷载并非直接作用在道床板上，而是通过铁轨及铁轨下整体道床传力，考虑到列车荷载作用时，槽形梁横向刚度较纵向刚度大得多，可以假定列车荷载首先由道床板承受。此时道床板形成由槽形梁主梁约束的单向板。铁路规范对于单向板计算并无明确条文说明，采用《公路混凝土规范》第4章Page14～Page15计算荷载分布宽度。取横向跨径:

动力系数:

单轮重F=80 kN，铺装层厚度h=0.5m，计垂直于跨径方向的荷载分布宽度为a，纵向车轮最小外轮中距计为d，经计算比较，道床板在2车轮作用下的最为不利，此时F'=29.096×(1+μ)=39.2 kN/m。按此工况进行横向配筋设计。

4)槽形梁抗剪扭设计。

由于槽形梁的特点是开口薄壁截面，抵抗扭矩的性能相对较差，需要检算槽形梁的剪扭承载能力。现有《铁路混凝土规范》［4］对于截面弯、剪、扭承载能力的计算并无明确规定。本次剪扭检算参考“公路规范”执行。本桥验算截面取在顺桥向指向跨中距支点1.0m处。

a.截面受扭塑性抵抗矩计算。根据《公路混凝土规范》第5.5.5条5.5.5-7公式，单片主梁的截面受扭塑性抵抗矩:Wt主=Wtw+Wtf'+Wtf。其中，槽形梁纵向各截面的截面受扭塑性抵抗矩依《公路混凝土规范》第5.5.2 条 5.5.2-1 公式，第 5.5.5 条 5.5.5-4，5.5.5-5公式计算。简单并偏安全地，主梁分段不考虑截面加劲肋的影响。b.剪力及扭矩计算。根据《铁路基本规范》第4.4.1条4.4.4-1公式，风荷载强度:W=K1K2K3W0。取风载体型系数K1=1.3，风压高度变化系数K2=1.00，地形、地理条件系数K3=1.0，基本风压 W0=800 Pa，得 W=1040 Pa。

剪扭组合时，本桥仅考虑由于横向风荷载及列车摇摆力产生的扭矩，扭矩计算参照《铁路通用规范》计算。根据《公路混凝土规范》第5.5.3条规定，槽形梁截面可由腹板、受压翼缘、受拉翼缘、底板4部分组成，其中受压翼缘、受拉翼缘、底板作为纯扭构件按第5.5.1条规定计算，而腹板则应作为剪扭构件按第5.5.4条计算。

4 结语

本文通过实际工程中一片35m跨径槽形梁的实体有限元模型分析，并且详细叙述了槽形梁计算设计过程，可以得出以下结论:

1)槽形梁具有较为明显的空间受力特性，经过三维空间模型分析，可以将设计过程简化为常规顺桥向、横桥向的平面模型设计。2)由于槽形梁为薄壁开口构件，腹板对底板的嵌固作用较弱，根据空间模型分析，建议底板横向跨中配筋按照两端简支的简支板进行设计，而梁肋处的弯矩可以按照公路规范偏保守设计。3)为保证梁体的耐久性，应严格控制底板横向受力裂缝宽度，裂缝控制在0.1 mm左右。4)槽形梁属于开口薄壁构件，受扭性能差，对于梁体抗剪、扭设计尤为重要。

［1］文志云，艾列奇，刘祖华.上海轨道交通6号线槽形梁试验研究［J］.中国市政工程，2006(1):66-67.

［2］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［3］TB 10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范［S］.

［4］TB 10002.3-2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.