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桥 粱 基于英国 B S 5 4 0 0的预应力混凝土槽形梁结构性能研究 郭丰哲 ，苏国明 ，周家新 ，王合希 ，续宗宝 中铁第五勘察设计 院集团有限公司桥梁设计院 ，北京 1 0 2 6 0 0 摘 要 结合一座 国外公路 槽形 梁的工程设 计 实例 ， 基 于 MI DAS F X V 2 ． 0 ． 0和 Ml D As ／ C j v i 1 2 0 0 6结 构 分析 软 件 ， 选取 四 面 体 单元和桁架单元 ， 建 立空 间实体计算模 型 ， 进 行 了各荷载组 舍 工况 下槽 形 梁 空 间 受力 性 能 研 究 ， 并 针 对 槽 形 截 面 特 点 进 行 了各典型位置的剪力滞效应分析。在 此基础上基 于 B S 5 4 0 0 ， 进 行结构性能分析及安全性分析 ， 并 总结预应 力混凝土槽形梁 的 优缺点 。分析结论可 为 B S 5 4 0 0规 范体 系下预应力混凝土槽形 梁的设计及计算分析提供参考。 关键词 预应 力槽形粱 ；静 力计算；空间受力性能 ；剪力滞效 应 ；性 能评 价 ；B S 5 4 0 0 中图 分 类号 U 4 41 ’ ． 5 文 献 标 识 码 A 文章编号 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 0 1 0 0 0 9 0 0 2 1 概述 槽形 梁 也称 U形梁 是 一种 下 承 式 桥 梁结 构 形 式 ， 适用 于铁路 桥 、 公路 桥及 城市高架 桥 。槽 形梁 的主 要 受力模式 是车 轮荷载 的力首 先作用 在槽形 梁 的底 板 上 ， 然后底板将荷载横向传递到两侧纵向主粱 。 本文结合国外一座预应力混凝土简支槽形梁的三 维仿真建模 ， 分析了在荷载作用下槽形梁的空 间力学 特性 ， 并提 出 了设计 中应 当注意 的问题 。 2 结构概 况 某桥为一座公路两车道简支槽形梁结构 ， 跨度为 3 9 m， 支 座到梁 端 0 ． 5 m， 桥梁 全长 4 0 m。 结 构概 图如 图 1 所 示 。 槽形 截 面高度 沿直 线 变 化 ， 从 支 点 处 的 2 ． 5 m到 跨 中的 3 ． 5 m。腹 板 宽 0 ． 3 5 m。在 支 点 处 、 跨 中及 四 分点处将腹板加厚到 6 5 C lT I 。并在支点处将底板加厚 8 0 a m。槽 形梁截 面如 图 2所示 。 梁体 采用 C 5 0混凝 土 。 桥 面铺装层厚 度 为 0 ． 1 5 m。 桥面 布置 2车道 ， 每个 车道宽 3 ． 7 5 m。 纵向预应力筋 腹板采用 1 5一 1 5 ． 2钢束 ， 底板 采用 1 2 一西 。 1 5 ． 2钢束。 预应力筋 的布置如图 3所示。 活载 英 国规范 B S 5 4 0 0中的 H A、 H B荷载 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 32 9 ； 修 回日期 2 0 1 0 0 41 9 作者简介 郭丰哲 1 9 8 1 一 ， 女 ， 工程 师 ， 2 0 0 5年毕业 于西南 交通 大学 桥梁与隧道工程专业 ， 工学硕士 ， E m a i l g u o f e n g z h e 1 6 3 ． t o m。 9 0 a 1 半立面 1 5 0 J O Q 6 0 0 5 ．0 1 0 Q 0 8 0 0 5 O In l I I 1 1 1 1 ] 敬 1 1 ] I 妄 } 一 l 却出 一 冀 g 室壅生 垡 至- 1 磊 ／ 一 l l g 1 t }t 蚤 { J _ ∞ 一 札 ％ 一一5 0 l【 1 5 0 0 Q 6 0 o 0 1 0 0 是 8 0 0 5 1 半平面 图 1 槽形梁概 图 单位 c m l 1 1 0 4 0 5 ．． 4 0 5 1 l 1 8 冠 375 ’ 50B蔓 0 1 ．5 ％ 『 1 ．5 ％ 0 。I 一一一一 【4 9 0 ／2 1 ／ 2 跨 中截面 1 ／ 2 支点截面 图 2 槽形梁截面尺寸 单位 c m 1 ， 2 支点截面 1 ， 2 跨中截面 图 3槽形梁预应力筋布置 3结构分 析软件 本结构 采用 MI D A S F X V 2 ． 0 ． 0和 MI D A S ／ C i v i l 2 0 0 6进行计算 。整个结构共划分节点1 9 9 4 0个， 单元 9 3 8 9 5 个。其 中， 混凝土用 四面体 实体单元模拟 ， 共 9 1 8 8 5 个单元 ， 预应力筋用桁架单 元模 拟， 共2 0 1 0 个 单 元 。 全桥 的模 型如 图 4～图 6所示 。 铁道 标准设 计R AI L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 1 0 郭丰哲 ， 苏国明 ， 周 家新 ， 等一基 于英 国 B S 5 4 0 0的预应力混凝 土槽形梁结构性能研究 图 4全桥结构 三维 图 图 5全 桥 结 构 立 面 图 6全 桥 结构 侧 面 4结构计 算工 况 工况一 H A、 HB荷载分别作用 1 个车道 荷载组 合为 自重 二 期恒 载 桥 面铺 装 预应 力 0 ． 7 HA HB； 工况二 2个 车道上 都作 用 H A荷 载 荷 载组合 自重 二 期 恒 载 桥 面 铺装 预 应 力 0 ． 7 H A H A ； 工况三 仅在 1 个车道上作用 HB荷载 荷载组 合 自重 二 期 恒 载 桥 面铺 装 预应 力 十 0． 7xHB； 如果 考虑 活载在 实 体 单元 上 走 行 ， 会使 得 计 算 量 相当大。因此 ， 计算时先建立一个全桥梁单元模型 ， 将 各种工况下最不利弯矩和最不利剪力作用时的荷载作 用位置追踪 出来 ， 将其加载到实体单元模型上。采用 此方 法后 ， 计 算量 大大减 少 。 5结构分 析结 果 通过对 各种 工 况 计 算 结 果 的对 比 ， H A H B为 控 制工况。以下就选择 H A HB荷载作用下的内力和应 力进行说明。 5 ． 1 反力计 算结果 成桥 状态每个 支 座处 的反力 为2 5 3 4 k N 。H A HB 荷 载作用 下 ， 单个 支座 处 的最大反 力为3 1 8 3 k N。 与采 用梁单元 建模 时 的反 力 相 当 ， 间接 说 明 了本 几何模型的尺寸是正确的。 5 ． 2全 桥的 主拉应 力 H A H B作用下 ， 全桥主拉应力如图 7所示。 从图7可以看 出， 全桥拉应力最大的截面距离支 图 7 H A H B作用下全桥 主拉应 力云 图 单位 MP a 铁道标准设计R A I L W AY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 0 加 桥 梁 点 2 ． 0 I n左右， 其值为 1 ． 4 3 MP a ， 此截面上的应力云图 如 图 8 、 图 9所 示 。 图 8 距离支点 2 ． O m 的截面 主拉应力云图 J隆 从 图8可以看 出， 主拉应力最大的截面上应力超 过 0 ． 1 ． 0 7 MP a的区域主要是在腹板外侧加劲肋 区域内。从图 9中可以看 出， 截面上同一高度处 的应 力 分布 很不均 匀 。 5 ． 3剪力滞 效应 由于本梁的底板较宽 ， 为了清楚 表明本简支梁的 剪 力滞效 应 ， 特 别选取 4个 特征截 面查看 应力结 果 ， 见 表 1 。 表 1 3 9 m简支槽形梁的特征截面 截面编号 描述 支点旁梁高变化处 距梁端 1 ． 8 m处 支点旁腹板厚度变化处 距梁端 3 ． 0 m处 1 ／ 4跨截面 跨 中截面 对 于 4个特 征截 面 ， 分别 提取 工况 HA H B 荷载 作用 状态 下的剪 应力结 果 图 1 0～图 1 3 。 图 1 0 特征截 面一 的剪应力 图 1 1 特征截面二的剪应力 图 1 2 特征截面三的剪应 力 图 t 3特征截面四的剪应 力 从 图 1 0～图 1 3中可 以看 出 ， 支 点 附近 截 面 上 的 应力分布很不均匀 ， 而跨 中截面的应力分布就相对均 匀。这就很清楚表明了2车道槽形梁的剪力滞效应 ， 下转第 9 8页 9l 蒌 一 ■■■■■隅■一 l i ■■■墨日■ }{ ■■■墨 ■ 墓 一 ■ 誓■■一 隧 道／ 地 下工 程 李 翔一张唐铁路燕山越岭隧道地质选线研究 通过物探测试及钻探工作综合分析后隧道洞身围 岩 分级 比较见表 2 。 表 2两方案 围岩分级比较 方 案 名 称 起 讫 里 程 { 花 里越 岭 方 案C K 5 0 4 9 4 5 C K6 9 5 0 5 1 8 5 6 0 2 9 2 0 6 0 5 2 4 6 6 5 2 7 1 9 2 2 0 4 龙关越岭方案 C I K 5 2 9 0 0 C I K 7 3 0 0 6 2 1 0 8 5 5 0 1 1 8 7 6 9 4 6 2 7 2 6 7 8 0 由以上综合分析不难看 出， 从工程地质角度 ， 龙关 越岭方 案优 于花里越 岭方 案 。 5 ． 2社会 经济效益 评价 由图 1隧道越岭地段 方案示意图可 以看 出 ， 两方案 起讫点为赵 川 站 C K 4 2 2 0 0 和赤 城 站 C K 1 0 1 8 0 0 ， 起讫点 两方案基本无 差别 ， 隧道进 口处庞 家堡煤矿 有专 用线连接至张家 口， 钻山铁矿、 象山铜矿 、 白庙铁矿等为 已开采废弃矿区， 主要差别位于越岭隧道出 口端， 其 中 花里越岭方 案隧道 出 口设花 里站 C K 7 1 9 0 0 ， 经济 覆 盖据点主要有花里镇、 田家窑、 陈家窑等， 该据点矿产资 源贫乏 以农作物为 主 ， 龙关越岭方 案隧道 出 口设龙 门站 C I K 7 5 2 0 0 ， 经济 覆 盖 据 点 主要 有 龙 关 镇 和 三 岔 口 镇 ， 两镇人 口达 9 ． 2万 ， 占赤城 县人 口的 1 ／ 3 ， 龙关 矿 区 分布在隧道出口附近北侧， 为当地主要经济支柱 ， 推荐 龙关越岭方案对带动当地经济有重要意义。 其 次 ， 两方 案造价进 行 比较 ， 单 独从越 岭一座 隧道 比较龙 关 越 岭 方案 隧道 长 2 1 ． 0 8 5 k m， 比花里 越 岭 方 上接 第 9 l页 跨 中截 面效 应较小 ， 支点 处效应 较大 。 6 结语 综合 以上对简 支槽形 梁 的空间分析 及结构 特点 分 析 ， 得到 以下结果 。 1 通过采 用实体 结构 分 析软 件 对槽 形梁 进 行分 析 ， 更加明确其空间受力 ， 同时， 对于采用梁单元的计 算结果也是一种复核 。 2 实体模型中， 活载加载时 ， 考虑到其在实体单 元上走 行会导 致建模难 度 和计算量 的加 大 ， 因此 ， 本桥 首先建 立 了梁 单元 的模 型 ， 将 各种 工 况 下最 不 利 弯矩 和最不利剪力作用时的荷载作用位置追踪出来 ， 将其 加载到实体单元模型上。如此一来 ， 计算量大大减少。 3 在分别计算了 HA HB， 2 H A， H B三种工况下 的 内力 和应力后 ， 发 现 在 H A H B作 用 下结 构 的应 力 最 大 ， 因此 ， H A H B为 控 制工 况 。HB荷 载 单 独 作 用 时， 虽为偏载， 但其导致的扭转效应并不是最大。这主 要是由于底板的横向挠曲变形， 引起主梁内倾 ， 这种内 倾作用 导致 的扭 转 以两个 车道满载 最为 明显 。这一点 在文献[ 3 ] 中也得到了证明。 98 案 隧道长 2 ． 5 2 5 k m， 造 价高 7 5 0 0万元 ， 但 从起 讫 点赵 川至赤城进行 比较 ， 花里越岭方案比龙关越岭方案线 路长 5 ． 7 3 k m， 隧道三座总长度 3 9 ． 7 9 k m， 比龙关越岭 方 案 隧道 两座 3 3 ． 3 6 k m 总长 度 长 6 ． 4 3 k m， 工程 造 价增加 2 ． 2 5亿元 ， 由此可见， 在社会经济效益上龙关 越 岭方案 优于花 里越岭 方案 。 6 结 语 1 张唐 铁 路 穿 越燕 山 山脉 隧 道 越 岭 方 案 ， 经 过 详细的工程地质 、 水文地质及经济 、 环境和安全性 比 选 ， 最终提 出龙关 越岭方 案为推 荐方 案 。 2 长大隧道越 岭方案 的确定 ， 必须 贯彻 地质选 线 原则 ， 对地质条 件非常 复杂地 区 ， 应 把 区域 工作做 好 ， 综 合考虑影响线路方案的各种地质因素， 同时线路方案的 选择还应考虑带动沿线经济发展 和施工 的安全 以及不破 坏 自然环境等因素， 通过多方案比选， 选定地质条件较好 的越岭位置 ， 以提高工程的合理性 、 经济性和安全性。 参考文献 [ 1 ] 铁道第三勘察设计 院集 团有 限公 司．张 家 1 3 至唐山铁路 燕山越 岭地段地质加深工作工程地质勘察报告[ R] ． 天津 2 0 0 9 ． [ 2 ] T B 1 0 0 2 7 --2 0 0 1 ， 铁路工程不 良地 质勘察规程[ S ] ． [ 3 ] T B 1 0 0 1 2 --2 0 0 7 ， 铁路工程地质勘察规范 [ S ] ． [ 4 ] 铁道部第一勘测设计院． 铁路工程地质 手册 [ M] ． 北京 中国铁道 出 版 社 ． I 9 9 9 ． 4 由于本 桥为 2车 道公 路桥 ， 底 板 较宽 ， 在计 算 结果中可以看出距离支点越近， 截 面的应力分布越不 均匀 ， 剪力滞效应越明显。因此在设计 中应充分考虑 这一现 象对 于结 构应 力验算 的影 响 。 5 在 距离 支 点 2 ． 0 m左 右 的 区域 ， 主拉 应 力 较 大 。可 以通过将 腹板 箍 筋 直径 加大 亦 可采 用 2根 一 束 ， 或是将预应力筋平弯至端部加大截 面的腹板 中 轴 线上 。 6 槽形梁作为一种低高度梁 ， 当桥下净空受到 限制时 ， 特别是在立交枢纽 中， 能有效 降低线路高度。 但 由于其 受力及 构造 的 复 杂性 ， 设计 时应 特 别关 注结 构 的空 间受力特 性 。 参 考文献 [ 1 ] J T G D 6 2 --2 0 0 4， 公路钢筋 混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范 [ S ] ． [ 2 ] B S 5 4 0 0 ， 英国桥梁规范 [ S ] ． [ 3 ] 陆光间． 连续 铁路槽 形粱 桥空 间作 用分析 [ J ] ． 铁道 学报 ， 2 0 0 0 5 ． [ 4 ] 张兴 杰． 预应 力混凝 土槽形 梁应用 及研究 综述 [ J ] ． 山西建 筑， 2 0 0 6 3 ． [ 5 ] 张晓林． 国内轨道交通高架桥标准梁设计的回顾 和探讨[ J ] ． 都市 快 轨 交通 ． 2 0 0 4 6 ． 铁道标准设计R A I L W AY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 0 1 0
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