寧波軌交4號線變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)

尹臻

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

寧波軌交4號線變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)

尹臻

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

設(shè)計(jì)計(jì)算針對主跨為50 m的滿堂支架現(xiàn)澆變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，跨徑布置為：30 m+50 m+30 m（上行線路中心線）。介紹了該橋的縱向、橫向、橋面板及徑向力設(shè)計(jì)等，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

軌道交通；橋梁；滿堂支架現(xiàn)澆；變截面；徑向力

1　工程概況

軌道交通4號線是寧波軌道交通線網(wǎng)中西北至東南的一條重要徑向線，起點(diǎn)站為慈城站，終點(diǎn)站為東錢湖站。線路全長約35.95 km，其中地下線24.45 km，高架線11.2 km，過渡段0.3 km。全線共設(shè)25座車站（含9個(gè)換乘站），其中地下車站18座，高架車站7座，平均站間距1.49 km；設(shè)慈城停車場和東錢湖車輛段。

出入場線跨錦繡東街橋橫跨道路錦繡東街，出入場線跨和通街橋橫跨道路和通街，這兩座橋是整個(gè)工程的關(guān)鍵性控制節(jié)點(diǎn)。出入場線跨錦繡東街橋和出入場線跨和通街橋采用跨徑30 m+50 m+ 30 m的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋。本文以其中一座跨路口節(jié)點(diǎn)橋出入場線跨錦繡東街橋?yàn)槔瑏碚f明寧波4號線跨路口節(jié)點(diǎn)橋的設(shè)計(jì)。主橋布置見圖1。

圖1　出入場線跨錦繡東街橋立面布置圖（單位：m）

2　設(shè)計(jì)概況

2.1結(jié)構(gòu)概述

箱梁采用單箱單室截面，寬9.7 m，底板寬度3.426～4.2 m，斜腹板；跨中及邊跨支點(diǎn)處梁高2 m，中支點(diǎn)處梁高3.5 m；三跨橋頂板厚度為0.25 m；箱梁跨中底板厚度0.25 m，邊墩、中墩底板根部厚度0.5 m，箱梁腹板厚度0.4～0.6 m。主梁橫斷面見圖2。

圖2　主梁橫斷面圖（單位：mm）

考慮到現(xiàn)澆法施工可在現(xiàn)場橋位支架立模澆筑，不需預(yù)制場地，并且不需大型吊運(yùn)設(shè)備。故本橋采用滿堂支架現(xiàn)澆施工。

本橋梁按“允許出現(xiàn)拉應(yīng)力但不允許開裂的構(gòu)件”進(jìn)行設(shè)計(jì)。

主梁混凝土采用C55混凝土。普通鋼筋采用HRB400。預(yù)應(yīng)力采用技術(shù)指標(biāo)符合國標(biāo)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞》（GB/T5224-2014）要求的φs15.20高強(qiáng)度低松弛鋼絞線（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa）；配套錨具技術(shù)指標(biāo)符合國標(biāo)《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T 14370-2007）；預(yù)應(yīng)力管道全部采用塑料波紋管，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用塑料波紋管》（JT/T 529-2004）的規(guī)定。

2.2列車荷載

按本線列車的最大軸重、軸距及近、遠(yuǎn)期中最長的列車編組確定。設(shè)計(jì)行車速度80 km/h。

4號線列車荷載，列車重車軸重140 kN，最小軸重65 kN。列車長度：按六節(jié)編組計(jì)算列車活載。列車活載計(jì)算圖式見圖3。

圖3　列車活載計(jì)算圖式（單位：mm）

遠(yuǎn)期每列車編組六輛。每輛車長19.52 m，定距12.6 m，固定軸距2.2 m，車輛最大軸重140 kN，最小軸重65 kN，最大、最小軸重可按每節(jié)車長任意排列組合。

列車荷載按列車編組數(shù)連續(xù)加載，在正符號影響線區(qū)段加載時(shí)取滿載重，在異符號影響線區(qū)段加載時(shí)取空載重。

2.3計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas Civil 2015軟件，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖4。

圖4　橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖

3　主梁計(jì)算分析

3.1主梁縱向計(jì)算分析

3.1.1正截面抗彎強(qiáng)度檢算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）第6.2.2條規(guī)定，橋梁構(gòu)件的正截面強(qiáng)度滿足：

同時(shí)，根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）表6.1.5規(guī)定：正截面強(qiáng)度檢算時(shí)，在主力作用下，安全系數(shù)K=2.0，主力+附加力作用下，取K=1.8；當(dāng)制造工藝不符合工廠制造條件時(shí)，安全系數(shù)增大10%。本橋采用滿堂支架現(xiàn)澆施工，故安全系數(shù)分別為2.2和1.98。

經(jīng)計(jì)算可得，全橋各個(gè)截面的正截面抗彎強(qiáng)度滿足要求。

3.1.2斜截面抗剪強(qiáng)度檢算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）附錄C規(guī)定，受彎構(gòu)件斜截面的抗剪強(qiáng)度應(yīng)滿足：

安全系數(shù)K的取值同正截面抗彎強(qiáng)度檢算的取值。經(jīng)計(jì)算可得，主梁斜截面抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.1.3抗裂性及應(yīng)力驗(yàn)算

（1）運(yùn)營荷載作用下正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）第6.3.10條規(guī)定，橋梁構(gòu)件的正截面壓應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：

a.主力組合作用下

b.主力+附加力組合作用下

由圖5～圖8可知，在主力組合下，梁體全截面受壓，最大壓應(yīng)力為13.2 MPa，小于規(guī)范限值18.5 MPa；在主力+附加力組合下，梁體最大壓應(yīng)力為15.8 MPa，小于規(guī)范限值20.35 MPa。正截面壓應(yīng)力能夠滿足規(guī)范要求。

圖5　主力組合下，梁體上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖6　主力組合下，梁體下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖7　主力+附加力組合下，梁體上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖8　主力+附加力組合下，梁體下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

（2）運(yùn)營荷載作用下正截面混凝土拉應(yīng)力驗(yàn)算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）第6.3.11條規(guī)定，對允許出現(xiàn)拉應(yīng)力但不允許開裂的構(gòu)件：

由圖9、圖10可知，在主力+附加力組合下，梁體上緣全截面受壓，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力（不考慮梁體兩端應(yīng)力點(diǎn)）；梁體下緣全截面受壓，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力（不考慮梁體兩端應(yīng)力點(diǎn)）。均小于規(guī)范限值2.31 MPa，能夠滿足規(guī)范要求。

圖9　主力+附加力組合下，梁體上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖10　主力+附加力組合下，梁體下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

（3）營荷載作用下斜截面主拉應(yīng)力驗(yàn)算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）第6.3.12條規(guī)定，混凝土主應(yīng)力應(yīng)滿足下式規(guī)定：

由圖11可知，梁體最大主拉應(yīng)力位于邊墩墩頂，最大值為2.0 MPa，小于規(guī)范限值2.31 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖11　主力+附加力組合下，梁體主拉應(yīng)力圖（單位：MPa）

（4）運(yùn)營荷載作用下，預(yù)應(yīng)力鋼筋最大應(yīng)力驗(yàn)算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）第6.3.13條規(guī)定，預(yù)應(yīng)力鋼筋最大應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：

驗(yàn)算結(jié)果表明，鋼絞線應(yīng)力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力幅較小，能夠滿足規(guī)范要求。

（5）運(yùn)營荷載作用下，混凝土剪應(yīng)力驗(yàn)算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）第6.3.15條規(guī)定，混凝土最大剪應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：

由圖12可知，混凝土最大剪應(yīng)力最大值為3.3 MPa，小于規(guī)范限值6.29 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖12　主力+附加力組合下，梁體剪應(yīng)力圖（單位：MPa）

3.1.4彈性階段主梁變形及剛度驗(yàn)算

（1）列車靜載撓度《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）10.2.1條規(guī)定鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋跨結(jié)構(gòu)在列車靜荷載作用下，其豎向撓度應(yīng)滿足以下規(guī)定：

當(dāng)L≤30 m，撓度容許值L/2 000；

當(dāng)60 m＞L＞30 m，撓度容許值L/1 500；

當(dāng)80 m＞L＞60 m，撓度容許值L/1 200。

本橋主跨50 m，撓度容許值為33.3 mm，兩邊跨容許撓度為15 mm和15 mm。

由圖13可知，列車靜載下中跨最大撓度為13.2 mm，小于規(guī)范限值33.3 mm；邊跨撓度也小于容許撓度值，滿足規(guī)范要求。

圖13　列車靜載下的最大撓度（單位：mm）

（2）預(yù)拱度計(jì)算

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3—2005）規(guī)定，恒載+靜活載引起的豎向撓度等于或小于15 mm或者跨度的1/1 600（兩者取大值）時(shí)，不設(shè)預(yù)拱度，本聯(lián)橋恒載+靜活載撓度為3.0 mm＜18.75=30 000/1 600，滿足規(guī)范不設(shè)置預(yù)拱度的要求，見圖14。

圖14　恒載+靜活載撓度（單位：mm）

（3）橫向剛度驗(yàn)算

《寧波城市軌道交通設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》13.5.16條規(guī)定梁式橋跨結(jié)構(gòu)的橫向自振頻率應(yīng)大于55/L0.8，L為橋梁跨度（m）。計(jì)算可知，梁體橫向自振頻率為6.88 HZ，本橋按規(guī)范計(jì)算的限值為2.4 Hz，大于規(guī)范限值，滿足要求。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）10.2.3條規(guī)定，在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力作用下，橋跨結(jié)構(gòu)梁體水平撓度應(yīng)小于計(jì)算跨度的1/4 000。按規(guī)范計(jì)算，梁體水平撓度為0.3 mm，規(guī)范限值為12.5 mm，滿足要求，見圖15。

圖15　水平撓度（單位：mm）

（4）軌道安裝后，梁體的收縮徐變值根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》及《寧波城市軌道交通設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的后期徐變拱度或撓度，應(yīng)嚴(yán)格控制線路鋪軌后，拱度或撓度不宜大于10 mm，見圖16。

計(jì)算可知，鋪軌后，中跨跨中10 a后收縮徐變撓度為2.9 mm，小于限值10 mm，滿足規(guī)范要求。

圖16　鋪軌后徐變上拱及下?lián)现担▎挝唬簃m）

（5）梁端轉(zhuǎn)角驗(yàn)算

在靜活載作用下，梁端轉(zhuǎn)角為 0.067%＜0.3%，滿足規(guī)范要求。

3.2主梁橫向計(jì)算分析

3.2.1端橫梁計(jì)算

表1　端橫梁計(jì)算結(jié)果匯總表

經(jīng)計(jì)算可得，鋼筋配筋滿足最小配筋率的要求，混凝土最大壓應(yīng)力為2.26 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定值σb=18.5 MPa，滿足規(guī)范要求。

（2）中性軸處剪應(yīng)力驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算可得中性軸處剪應(yīng)力最大剪應(yīng)力為1.01 MPa，小于規(guī)范規(guī)定值σtb=1.10 MPa，可不進(jìn)行抗剪驗(yàn)算，僅配置構(gòu)造鋼筋，滿足規(guī)范要求。

（3）鋼筋拉應(yīng)力驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算可得，在主力+附加力組合作用下鋼筋最大拉應(yīng)力為51.88 MPa，小于規(guī)范規(guī)定值 σs= 230 MPa，滿足規(guī)范要求。

（4）裂縫寬度驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算可得，最大裂縫在支座截面上緣為0.044 mm，小于規(guī)范限值0.20 mm，滿足規(guī)范要求。3.2.2中橫梁計(jì)算

表2　中橫梁計(jì)算結(jié)果匯總表

（1）混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算可得，鋼筋配筋滿足最小配筋率的要求，混凝土最大壓應(yīng)力為0.38 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定值σb=18.5 MPa，滿足規(guī)范要求。

（2）中性軸處剪應(yīng)力驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算可得中性軸處剪應(yīng)力最大剪應(yīng)力為1.08 MPa，小于規(guī)范規(guī)定值 σtp-2=1.10 MPa，可不進(jìn)行抗剪驗(yàn)算，僅配置構(gòu)造鋼筋，滿足規(guī)范要求。

（3）鋼筋拉應(yīng)力驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算可得，在主力+附加力組合作用下鋼筋最大拉應(yīng)力為9.78 MPa，小于規(guī)范規(guī)定值σs= 230 MPa，滿足規(guī)范要求。

（4）裂縫寬度驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算可得，最大裂縫在支座截面上緣為0.008 mm，小于規(guī)范限值0.20 mm，滿足規(guī)范要求。

3.2.3橋面板強(qiáng)度驗(yàn)算

橋面板強(qiáng)度采用Midas Civil 2015進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮車輪荷載分布寬度，取單位長度橋面板進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型見圖17。

圖17　橋面板計(jì)算模型

根據(jù)規(guī)范對橋面板混凝土壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，鋼筋拉應(yīng)力以及裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求。

3.2.4底板徑向力計(jì)算

預(yù)應(yīng)力變截面混凝土箱梁橋底板崩裂主要是由底板預(yù)應(yīng)力束的等效徑向力引起的，故需進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas Civil 2015軟件，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖18。

圖18　底板徑向力計(jì)算模型

底板徑向力最不利處為中跨跨中斷面，其徑向力為N/R=19.8 kN/m。根據(jù)規(guī)范對底板混凝土壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，鋼筋拉應(yīng)力以及裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求。

4　結(jié)語

本文結(jié)合寧波市軌道交通4號線工程對滿堂支架現(xiàn)澆變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的設(shè)計(jì)分析進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為國內(nèi)外類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

U448.21+5

B

1009-7716（2016）06-0079-04

2016-03-04

尹臻（1989-），男，山東萊陽人，助理工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。