桔柑车站连续梁桥性能分析

王晓黎

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

铁路轨道需要线下工程为列车提供高质量的平顺性,来保证安全、舒适的环境。预应力混凝土连续箱梁桥以其跨度大、刚度大、养护量小得到广泛的采用。由于预应力混凝土箱梁的宽跨比较大,此时箱梁的框架作用有一定的特殊性,因此就必须明确箱梁的应力和变形分布,如果桥幅较窄,用平面分析的结果来设计误差不是很大[1]；国内外许多大跨径预应力混凝土连续梁桥在运营一定年限后,普遍存在主跨下挠,影响到桥梁的使用性能和寿命[2]。多年来国内外学者进行了大量研究,从理论和方法不断完善前进。但没有对影响因素进行系统对比分析,很少提及从结构形式和计算参数取值上对桥梁设计进行优化,针对上述问题就结构横向应力、剪力滞效应、有效计算宽度、畸变、翘曲等力学效应规律和混凝土收缩、徐变影响因素进行了分析研究,找出解决问题的结构措施和设计中考虑因素。

1 桥梁概况

兰渝铁路桔柑站特大桥为四线(48+2×80+48) m预应力混凝土箱形连续梁,采用悬臂灌注施工。四线曲线梁,线间距(5.1+5+5.1) m,曲线半径7 000 m。

桥位设在兰渝线桔柑车站内,道岔及渡线均上桥,需要设置四线桥。根据以往设计经验判断,四线桥横向宽度较大,连续梁横向过宽时,横向扭矩较大,对箱形截面影响较大,为了减少箱梁横向不利因素,本桥按照两幅桥分别进行设置。

梁体采用变高度变截面箱梁,一联总长257.5 m。箱梁截面采用单箱单室直腹板,边支点及跨中梁高为3.8 m,中支点梁高6.4 m,梁底变化段曲线采用二次抛物线。箱梁顶宽为11.2 m,底宽6.50 m。顶板厚为0.36～0.65 m,底板厚0.5～0.85 m,腹板厚0.5～1.0 m。梁体采用C55混凝土。

预应力体系：梁体设计为纵、横、竖三向预应力体系,纵向按全预应力构件设计。纵、横向预应力采用钢绞线,竖向采用预应力混凝土用螺纹钢筋。

2 计算模型

结合桔柑四线(48+2×80+48) m预应力混凝土箱形连续梁设计,对箱梁的相关问题进行对比计算分析。箱梁的静力特征与截面形式、横隔板设置、约束条件、荷载作用位置和荷载类型等因素有关,是一个复杂的空间问题。经典的薄壁结构力学是通过建立微分方程求解[3],非常繁琐,且实际边界条件难以用常规边界条件来描述,而平面梁方法难以反映出薄壁箱梁的空间受力特征[3]。在此,采用有限单元法进行分析。连续梁有限元空间模型见图1，单元划分见图2。

图1 连续梁有限元空间模型

图2 单元划分示意

3 边界条件及计算参数

结构计算中采用MIDAS程序进行箱梁横向分析。对梁段进行分析时,约束按实际支座布置情况设置。混凝土强度等级为C55,混凝土和钢材的弹性模量E分别为：3.6×104MPa, 1.95×105MPa,泊松比r分别为：0.2 和0.3,混凝土剪切模量G=0.43E。

混凝土收缩徐变：环境条件按野外一般条件计算,相对湿度取70%。徐变系数终极值2.0,徐变增长速率5.5×10-3,收缩速度系数6.25×10-3,收缩终极系数1.6×10-4。

结构温度效应：梁部整体升降温±20 ℃,顶板升温按5 ℃考虑。

预应力损失计算：纵横向预应力损失即锚口及喇叭口损失按锚外控制应力的6%计算,管道摩阻系数取0.23,管道偏差系数取2.5×10-3。

4 混凝土收缩、徐变对挠度的影响

预应力混凝土主要建材为胶凝材料、骨料及水,随时间的推移会产生收缩、徐变。混凝土徐变和收缩是与时间有关的变形特性。相关研究表明：混凝土收缩在30年以后还存在,徐变一般在5～20年逐渐达到一个极限值,在设计中是不可忽略的因素[4]。

通过对相对湿度、混凝土龄期、徐变系数分别取不同的数值进行对比计算,分析其对长期挠度的影响。将具有代表性跨中等节点数据列入表1中。

表1 各项因素对挠度的影响 mm

从表1中数据显示的趋势来看,相对湿度、加载龄期、徐变系数对连续梁的长期挠度的影响计算分析可以得出：

(1)相对湿度减小,连续梁的长期挠度会增加,因此设计必须采用与桥梁所在的环境对应的湿度；

(2)加载龄期越短,长期挠度越大,因此在施工过程中,应严格限制过早的加载,以降低连续梁的长期挠度；

(3)徐变系数越大,连续梁的长期挠度越大,因此,在连续梁设计、施工中应根据现场材料、环境等采取试验来确定徐变系数是很有必要的。

总之,通过对影响收缩、徐变因素的对比计算来看,应采取与连续梁所处环境、材料相适应的各项系数进行结构计算分析,以减少长期挠度对结构稳定性的影响。

5 箱梁横向预应力设置分析

对各种荷载进行最不利荷载组合,主要考虑横向预应力和不考虑横向预应力分别对箱梁横向进行分析计算,箱梁的弯矩计算结果汇总见表2。

表2 梁体弯矩 kN·m

由表2对照结果来看,考虑横向预应力后,顶板、腹板顶部弯矩均明显减小。说明设置横向预应力钢束,对结构受力有明显的改善。

通常在设计中,横向预应力一般按照50 cm的间距进行设置,从计算来看,间距可以适当加大,也可以取得良好的效果,同时,还可以减小预应力空间不利效应。

综上所述,由于箱梁顶板受力较大。在箱梁横向宽度较大时,适当配置顶板预应力钢束可优化箱梁结构受力作用。

5.1 有效计算宽度的对比

箱梁受力时,由于剪力滞效应将导致顶、底板正应力分布不均匀,工程中引入“剪力滞系数”反映剪力滞效应的大小,用“板的有效计算宽度”修正计算结果。剪力滞效应不仅与结构形式有关,而且与荷载类型、作用点和大小有关[7]。

表3为结构典型断面的顶板剪力滞系数(λ)和板的计算宽度(B)。

表3 顶板剪力滞系数和计算宽度

梁在自重、预应力、二期恒载和活载作用下的正应力分布见图3。从图3可知,在各种荷载作用下,横向正应力和变形沿截面不均匀。总体上,跨中截面的剪力滞效应较大,箱梁顶板有明显的剪力滞效应。铁路桥规中规定计算宽度为箱梁全宽(本桥设计为11.2 m),明显大于表3中的计算宽度,由此来看按照规范计算偏于不安全,因此,在结构计算中要合理取值。

图3 顶板正应力

5.2 箱梁横向翘曲、畸变

图4 箱梁应力

通过对箱梁横向计算,比较支点和跨中截面应力来看(图4),可以得出,横向应力对称分布,箱梁在对称荷载作用下不产生翘曲、畸变效应；当作用不对称荷载时,产生扭转,应力呈现不对称性。(在计算中偏载按照活载乘以偏载增大系数考虑)。

通过腹板增厚、在跨中加设横隔板等措施,分析比较降低横纵向应力峰值。

分析比较计算结果,跨中箱形截面顶、底板应力均有不同程度的减少，见表4。

表4 顶、底板应力变化情况

综合各项计算结果来看,可以得出增加横隔板的措施对改善箱梁的受力和翘曲、畸变变形更加明显有利,为此建议在箱梁横向分析受控制时,可适当增加横隔板可以有效的改善箱梁结构受力、翘曲变形现象。

6 结构寿命的考虑

我国铁路桥梁的设计寿命为100年。由于环境因素、人为作用以及材料特性,桥梁在服役期间的性能将逐渐退化。

对于预应力混凝土结构,混凝土的收缩徐变将使有效预加应力降低。多种文献研究表明若不考虑人为因素和环境因素的影响,随着时间的推移,由于混凝土收缩徐变的影响,徐变值逐渐增大,应力逐渐减小,从前文所述来看30年后结构的收缩徐变基本完成,此时,梁体的位移和应力基本稳定。

在结构设计中,通常按照1 500 d来考虑收缩徐变对结构的影响。从其影响时间来看,应按照结构的耐久性的要求,将长期影响结构挠度的因素在设计中进行考虑,分别考虑收缩徐变的不同时期因素进行了计算,使结构在30年后收缩徐变基本完成后,连续梁结构各项控制指标均能够满足现有铁路桥梁规范的要求。以此来保证结构在使用寿命期内安全可靠。

7 结语

(1)相对湿度、加载龄期、徐变系数等因素对连续梁的长期挠度影响较大,因此,应采取与连续梁所处环境、材料相适应的系数进行结构分析,以减少长期挠度对结构稳定性的影响。

(2)受空间效应等的影响,箱梁表现出明显的剪力滞现象。设计时应重视箱梁截面翼缘有效分布宽度的合理取值,确保桥梁结构的安全。

(3)增设横隔板能显著增大结构的横向刚度,达到降低应力不均匀的效果。在设计中,建议在跨度较大,或箱梁横向宽度较大时,适当增加横隔板以改善箱梁结构翘曲、畸变变形现象。

(4)在结构设计中,应按照结构的耐久性的要求,将长期影响结构挠度的因素在设计中进行考虑。以此来保证结构在使用寿命期内安全可靠。

[1] 薛照钧.高铁特大跨混凝土连续梁徐变设计应用研究[J].桥梁建设,2010(4)：23-26.

[2] 杨永清,郭凡,刘国军,李晓斌. 大跨预应力混凝土连续梁式桥长期下挠研究中的问题[J].铁道建筑,2010(9)：1-4.

[3] 刘文硕,戴公连,胡楠.高速铁路中小跨径连续梁的设计[M].铁道科学与工程学报,2010(3)：45-51.

[4] 周履,陈永春.收缩徐变[M].北京:中国铁道出版社,1994．

[5] 张继尧,王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社,2006．

[7] 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,2001．

[8] 吴中伟,廉惠珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999．

[9] 彭大文,林志平,邓丽琼.整体式桥台的曲线箱梁剪滞效应研究[J].公路,2006(12)：9-14.

[10] 方志,李红芳,彭波.体外CFRP预应力筋混凝土梁的受力性能[J].中国公路学报,2008,21(3)：40-47.