本文摘要：摘要：東勝鄂爾多斯機場城際鐵路烏蘭木倫河特大橋跨陽光瀑布工程設計方案擬采用預應力混凝土連續梁結構，截面形式為槽形梁，腹板鏤空處理，結構頂面設置橫向連接。橋梁結構根據結構力學知識與當地民族特色進行概念設計，根據受力擬定截面及結構尺寸，基于ABA
摘要：東勝—鄂爾多斯機場城際鐵路烏蘭木倫河特大橋跨陽光瀑布工程設計方案擬采用預應力混凝土連續梁結構，截面形式為槽形梁，腹板鏤空處理，結構頂面設置橫向連接。橋梁結構根據結構力學知識與當地民族特色進行概念設計，根據受力擬定截面及結構尺寸，基于ABAQUS建立精細化實體單元模型，分析結構整體受力情況，研究腹板鏤空對結構受力影響，連接肋尺寸、支座中心距和施工順序對頂板連接肋受力影響等。研究結果表明：縱向應力分布均勻連續、計算結果滿足規范要求;頂板連接肋中支點處受力較大，主要由恒載產生，調整施工工序可降低其應力值;腹板鏤空尺寸較大，應力集中明顯，對截面整體縱向應力分布連續性影響較小。
關鍵詞：鐵路橋;槽形梁;連續梁;預應力混凝土;鏤空腹板;結構設計
引言槽形梁是下承式梁，一般采用預應力混凝土結構，截面由底板、腹板組成，為開口結構。主要特點是梁底板作為主要支撐軌道和列車的結構，底板和腹板共同受力[1]。半穿式鏤空腹板槽形梁一種新穎的結構型式。除了具備槽形梁的特點外，結構頂部橫向部分連接，整體結構為穿越式，頂部未完全封閉，又稱為半穿式。為增加結構整體剛度和抗扭性能，結構底為箱梁結構，車輛走行于箱梁結構之上。
腹板采用鏤空處理，有別于普通箱梁的通風孔，腹板鏤空面積較大，其造型可根據當地特色進行設計，代表一定的寓意。鏤空腹板槽形梁目前應用到鐵路的工程只有西班牙高速鐵路上跨Ebro河橋。本文依托東勝—鄂爾多斯機場城際鐵路烏蘭木倫河特大橋跨陽光瀑布工程進行研究。陽光瀑布工程位于烏蘭木倫河南岸，為鄂爾多斯市重點打造的景觀工程之一，位于柳溝河橋南側，距離柳溝河橋約18m。
主要技術標準如下。
(1)鐵路類別：城際鐵路。(2)正線數目：雙線。(3)線間距：4.2m。(4)設計行車速度：160km/h。(5)軌道結構：有砟軌道。(6)設計活載：ZC活載(0.6UIC)。
1結構概念設計
結構概念設計從縱立面、橫截面形式和景觀效果三方面展開。
1.1縱向設計
本橋跨越跨烏蘭木倫河陽光瀑布，綜合周邊環境及景觀效果，擬采用跨度(50+80+50)m梁橋方案，根據力學知識梁(垂直于軸線受力的細長桿件)縱向是以受彎為主的結構，矩形截面抗彎能力與截面高度的三次方成正比，即距離中心軸越遠的材料其抗彎貢獻越大，靠近截面形心鏤空對截面抗彎能力影響不大，但可減輕自重荷載。
桁架是實腹板的拓撲優化結構，優化后僅保留受力較大構件，優化掉中性軸附近對剛度貢獻小的材料，其上下弦桿多為受拉桿，且應力集度大，故桁架宜選用高強度鋼材，考慮經濟性和后期運營維護等因素， 本橋選用混凝土材料，而混凝土無法滿足桁架結構受力要求，于是在實腹板與桁架之間折中設計了鏤空腹板。采用鏤空腹板在減輕自重的同時減少預應力筋數量和支座規格。腹板根據需要可現澆或預制。鏤空位置、大小和形狀綜合考慮受力、景觀、預應力鋼束的布置等多種因素5]。
1.2橫向設計
本橋為雙線城際鐵路橋，線間距4.2m，橫向跨度小，結構所受橫向力遠小于縱向力，故橫截面設計應以縱向抗彎為主，根據上述討論，宜采用空心截面，常用混凝土空心截面橋式有箱形和槽形，箱形梁頂、底板抗彎、腹板抗剪，槽形梁沒有頂板，屬下承式結構，底板與腹板協同抵抗彎剪，兩者均能滿足縱向受力要求，槽形梁視覺效果通透，更具景觀性[6]。
從橫向受力分析，截面以扭、剪為主，槽形截面由于缺少頂板，在扭矩作用下，截面無法協同變形，加之腹板壁較薄，易產生畸變，剪力滯明顯[8]，導致底板、腹板連接處局部受力過大。橫截面設計以縱向抗彎為主，橫向抗扭為輔，兼顧景觀，綜合考慮后選定半穿式槽形梁，這一新型結構與傳統槽形梁不同的是，結構斷面頂部有部分橫向連接，未完全封閉，保持景觀通透效果同時增強結構抗扭性能和整體穩定性[9]。
1.3景觀設計
遼闊的草原是蒙古民族縱馬征戰和自由放牧的大舞臺，蒙古包是游牧民族的居舍，它伴隨著蒙古民族走過了漫長的年代。蒙古人經過長久的實踐，把氈包的各個部件用精巧的工藝制作出來，使它有著獨特的美感。遠看，它像草原上一顆潔白的珍珠。近看，氈包上的花紋更加清晰美麗。蒙古族的吉祥圖案，寄托了人們對鴻福、長壽、吉祥、喜慶等美好的愿望。故主推方案將氈包圖案融入到梁體結構設計中，把美好的祝愿通過橋梁帶給鄂爾多斯人民。
2結構設計
2.1主梁構造
跨越陽光瀑布工程采用(50+80+50)預應力混凝土連續梁結構，梁全長為190m，計算跨度為(49.25+80+49.25)，邊支座中心距離梁端0.75m，梁體主體結構之外設5m長變高段，使得橋梁整體線條流暢，動感性強。變高段與頂板用R=5m圓弧過渡，與底板夾角為48°。
梁體截面等高設置，邊支點處底板局部加高。梁體兩側腹板上設蒙古包樣鏤空，縱向間距5m，沿梁體中心線對稱布置，全梁共設鏤空32個。鏤空距底板2.5m，鏤空處縱向長6m，高1.5m，頂部圓弧半徑為3.497m。頂部橫向連接肋每隔5m設置道，寬度為0.7m，中支點處局部加寬為3m。全梁設個支座，每個支點處對應兩個支座，邊支點支座橫向中心距為6m，中支點支座橫向中心距為5.4m。
結構截面高10，橋面以上梁高8.15，橋面以下箱梁梁高1.85，梁體腹板下部最小寬度為12.355。跨中段腹板厚0.45，中支點兩側各9m范圍內，加寬為0.75m。內側腹板與頂板用R=2m的圓弧倒角，外側腹板與頂板采用R=1.2m圓弧過渡，頂板厚度為0.55m。在梁端腹板沿斜向切角并用半徑R=5圓弧過渡。梁體下部箱梁頂板厚0.25，底板厚0.32m，在中支點兩側各范圍內底板厚度為0.5。
箱梁腹板厚度與梁體上部腹板厚度保持一致。底板和腹板相接處設置300mm300mm的倒角，頂板和腹板相接處設置200mm200mm的倒角，中支點和邊支點處設置橫隔板。主梁結構采用C50混凝土，梁部除縱向預應力筋外，在支點橫梁處設置橫向預應力筋，在實腹板處設置豎向預應力筋。縱向及橫向預應力筋采用高強鋼絞線，豎向預應力采用Φ32mm精軋螺紋粗鋼筋。
2.2預應力體系及布置
鋼絞線采用符合GB/T52242014《預應力混凝土用鋼絞線》技術標準的高強度低松弛Φ15.20mm鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，彈性模量E=1.9510MPa[10]。
2.3橋墩及基礎主橋兩中墩采用花瓶式橋墩，墩頂縱向3.4m，墩底縱向3m，墩頂寬14.6m，墩底寬7m。主橋兩側邊墩形式與簡支梁橋墩形式保持一致。主橋中墩基礎采用16根Φ1.5m摩擦樁，邊墩基礎采用10根Φ1.25m摩擦樁。
3結構受力分析
利用上述模型計算結構在自重、二期恒載、預應力、活載、恒活荷載作用下結構剛度及受力情況，主要計算結果如表所示。活載作用下，最大靜活載位移為9.53mm，最大梁端轉角為0.10‰，均滿足規范要求。運營階段，中跨跨中下緣最小壓應力為1.89M，中支點下緣最大壓應力為9.81M，上緣出現4.49M的拉應力。結構構造尺寸和預應力布置較為合理，能夠滿足結構安全要求。
考慮到腹板及頂板有鏤空設計，截面形狀突變易造成應力擾動，產生應力集中，應力過大導致結構損傷與破壞風險增大。腹板與頂板受力情況是結構研究重點關注的項目[17]，分別顯示其主拉應力及主壓應力分布情況。可以看到最大拉應力已達20.51MPa，發生在中支點處腹板鏤空上角點，此處承受較大負彎矩，腹板上緣受拉，鏤空角點應力集度劇增，為防止混凝土開裂，此處除通過預應力抵消拉應力外，還應進行倒角等構造處理，配置防裂鋼筋[1。
鐵路論文范例：鐵路鋪架施工技術管理要點
4結語
通過對鏤空腹板槽形梁的分析研究，得到以下結論和建議。
(1)結構受力連續，整體性穩定性較好，在恒載和活載作用下，結構位移和剛度能夠滿足受力要求。截面上、下緣應力分布連續，滿足設計規范要求，結構本身特性能夠滿足實際工程需要。(2)頂板連接肋最大拉應力出現在中支點頂，其大小受自重和二期恒載控制，活載產生的應力占比較小。可以研究調整施工次序來控制自重作用下的應力值。(3)鏤空尺寸較大，對截面局部削弱明顯，但截面應力變化并不明顯，且受力連續。對于整體結構，鏤空腹板影響較小，可研究鏤空位置對結構的影響，重點研究中性軸位置對截面受力影響的變化。(4)由于結構采用等高設計，結構高度受限界控制，導致結構自重占比較大，自重和二期恒載作用下產生的應力和位移是活載的倍左右。可考慮采用鋼結構、鋼混組合結構的可能性，減小結構自重產生的應力。同時研究探討在此高度條件下合理跨度。
參考文獻：
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[3]謝億民,楊曉英,G.P.STEVEN,等.漸進結構優化法的基本理論及應用[J].工程力學,1999(6):7081
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[6]曹菲.城市景觀橋梁創新設計研究[D].南京:東南大學,2015.
[7]潘湘文.基于能量變分法的連續槽型梁橋剪力滯效應分析[J].結構工程師,2012,28(1):4549.
作者：張付賓，宋元印
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