某小曲线大跨度刚构连续梁静力计算分析

曹文杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

某小曲线大跨度刚构连续梁静力计算分析

曹文杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要由于小曲线半径连续梁受力较为复杂，空间效应明显，为提高小曲线半径连续梁的抗倾覆能力，结构采用了刚构-连续组合梁的结构形式。通过采用ASCB，MIDAS，ANSYS等分析程序，按有限元法模拟各施工阶段及运营阶段工况，计算各施工阶段及运营阶段各截面的内力、应力及变形等，分析轨道交通小曲线半径刚构-连续组合梁的结构受力特点。

关键词有轨电车连续-组合梁小曲线半径

近几年来，城市新型公共交通系统不断发展，现代有轨电车项目在这种趋势下也得到蓬勃发展。有轨电车在线路线形设计上更趋近于市政道路设计，因此，为更好地适应城市道路，线路设计上会经常采用到小曲线半径。小曲线半径对于高架桥梁设计的影响很大，为此，笔者拟结合某有轨电车项目中的具体工点设计，对轨道交通小曲线半径连续梁结构的受力特点进行分析[1-2]。

1工程概况

该有轨电车正线在右DK13+475处上跨某运河，夹角约23°。该运河航道净高不小于4.5 m，净宽不小于40 m。为满足通航要求，同时保证主桥与周围自然环境的景观效果，设计采用36 m+60 m+36 m连续-刚构梁跨越运河，其中60 m主跨一跨跨越运河，2主墩均位于驳岸线以外；本梁采用挂篮悬臂浇筑施工。桥梁平面布置见图1。

图1　平面布置图

由图1可见，主桥位于曲线上，全梁梁体基本都在圆曲线范围内，曲线半径R=150 m；桥上双线，线间距4.434～4.403 m。梁上纵坡分为2段(均为上坡)，一段为42‰纵坡，一段为3.4‰纵坡。桥上运行按7模块编组的有轨电车荷载。

2结构构造

主梁为预应力混凝土结构，单箱单室变高度箱形截面。边跨直线段及中跨跨中梁高2.0 m，中支点截面梁高为3.8 m，变高梁段底板按圆曲线变化，圆曲线半径R=215.578 m。全桥箱梁顶宽9.2 m，箱梁底宽5.2 m。顶板厚27 cm，腹板厚分别为40，70 cm，底板厚由跨中的28 cm按圆曲线变化至中支点梁根部的50 cm，中支点处加厚到80 cm。主梁轮廓见图2，边、中支点截面见图3。

图2　结构总体轮廓图

图3　边支点及中支点处梁部半截面(单位：cm)

全梁共设5道横隔梁，分别设于中支点、端支点和中间跨跨中截面。主梁除0号梁段(长10 m)、边孔直线梁段(长4.9 m)在支架上施工外，其余梁段均采用挂篮悬臂浇筑。

为提高小曲线半径连续梁的抗倾覆能力，结构采用了刚构-连续组合梁的结构形式，小里程中墩与主梁固结。固结桥墩采用矩形桥墩，墩顶截面尺寸为：5.2 m(横向)×2.4 m(纵向)，墩底截面尺寸为：3.2 m(横向)×2.4 m(纵向)，为与梁部平顺衔接，桥墩采用圆弧过渡；下部基础采用承台桩基础。

3上部结构计算分析

刚构-连续组合梁的纵向计算分别采用ASCB(平面模型，模拟成梁单元)、MIDAS(空间模型，模拟成梁单元)、ANSYS(空间模型，模拟成实体单元，侧重于对曲线梁腹板内外侧正应力分析)等分析程序，按有限元法模拟各施工阶段及运营阶段工况，进行计算分析。以下着重对运营阶段受力进行分析[3-5]。

(1) ASCB程序支点反力计算结果。见表1(不含固结墩)。

表1　ASCB程序支点反力计算结果　kN

(2) ASCB程序应力及正截面强度计算结果[6]，见表2。

表2　ASCB程序应力及正截面强度计算结果

(3) MIDAS程序支点反力计算结果，见表3(不含固结墩)。

表3　MIDAS程序支点反力计算结果　kN

(4) ANSYS程序支点反力计算结果。本模型混凝土采用solid45实体单元建模，预应力钢索采用link8单元建模。钢索与混凝土采用约束方程连接，钢索采用降温法施加预应力。本模型所施加荷载为自重+预应力+二恒+活载。提取了各支座的支反力，见表4。同时，提取各典型截面的顺桥向正应力分布见图4。

表4　ANSYS程序支点反力计算结果　kN

图4　各典型截面正应力分布图(单位：Pa)

另外，通过在ANSYS中提取各关键截面的内外腹板平均剪应力分布结果。通过内外侧平均剪应力比值发现，内外腹板剪力有一定的不均匀性，在抗剪设计配筋时应予以注意。腹板平均剪应力计算结果见表5。

表5　腹板平均剪应力计算结果　MPa

提取各跨中截面顶板、底板肋板处的正应力分布情况，用以对比内外侧肋板处正应力比值(表6中数值均为压应力)。根据表6可知，内外侧正应力分布相对较为均匀，最大比值为1.12。建议以该系数作为放大系数进行验算和配筋。

表6典型截面内、外侧肋板正应力计算结果MPa

截面位置外腹板内腹板比值(大/小)大里程边跨跨中顶板6.146.901.12底板8.549.351.10中跨跨中顶板12.4811.591.08底板11.3810.211.11小里程边跨跨中顶板6.796.291.08底板9.569.061.05

支反力结果分析：以6号墩为例，主力作用下，曲线内侧支反力为外侧的1.55倍(ASCB)，1.27(midas)，1.30(ansys)，曲线引起的弯扭效应明显，在下部结构设计中须引起足够重视；恒载作用下，曲线内侧支反力为外侧的1.55倍(ASCB)，1.33(midas)，内侧支反力明显大于外侧；活载作用下，曲线内侧反力最大1 180 kN(ASCB)，1 097 kN(midas)，外侧最小反力-40.3 kN(ASCB)，-29.0 kN(midas)，外侧出现了拉力。

应力结果分析：局部应力计算结果显示，对应于直线梁，小曲线半径梁的剪应力和正应力存在不同程度的增大，曲线内外侧腹板剪应力最大比值2.09，正应力最大比值1.12，在普通钢筋的计算和配置中需加强。

4结语

通过ASCB，MIDAS，ANSYS 3个程序对主跨60 m小曲线半径刚构连续梁的计算，着重从支反力和应力2个方面阐述梁的受力情况，验证了3个程序计算出的小曲线半径梁内、外侧支反力虽有误差，但相差不大且变化趋势一致；但是考虑到小曲线半径梁受翘曲、扭转变形影响大，有必要通过ANSYS进行实体分析，掌握曲线内外侧腹板应力分布状况，合理配置普通钢筋。目前在轨道交通中，同类型的桥梁尚不多见，本工程通过实例对小曲线大跨度刚构连续梁静力进行计算分析，以期为同类桥梁的建设提供参考、借鉴。

参考文献

[1]姚玲森.曲线梁[M].北京：人民交通出版社,1989.

[2]邵容光.混凝土弯梁[M].北京：人民交通出版社,1994.

[3]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4]叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社,2005.

[5]王钧利,贺栓海.高墩大跨径曲线刚构桥设计参数与稳定分析[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2005(5):717-720.

[6]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].北京：中国铁道出版社,2005.

收稿日期：2015-03-11

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.020