双线铁路48 m简支槽型梁设计

摘要：文章以某双线铁路48 m简支槽型梁为工程背景，对其结构设计思路进行介绍。该梁的设计难点在于隔板和桥面板的设计，由于桥面宽和跨度的比值为14.6/48=0.304，且桥梁截面结构复杂，腹板和箱室都较多，若仅依靠常规梁部的设计手段，很难得到良好的设计成果。因此在设计中采用了有限元分析软件，分别进行杆系模型、板单元模型和实体模型分析。通过杆系模型计算结果确定了结构的整体尺寸；通过板单元模型计算结果确定了隔板的尺寸；通过实体模型分析结果确定了跨中截面刚度及位移，根据位移相等原则建立了桥面板计算模型，并确定腹板、顶板及底板尺寸；最后再通过实体模型检验了结构的应力、挠度等指标。结果表明该梁设计安全可靠、经济合理，可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

在建某双线铁路48 m直线简支梁，设计行车速度为160 km/h，采用有砟桥面，位于+4‰的坡道上。由于受净空限制，需选择建筑高度低的下承式梁型，在满足桥下净空的要求下可以减少两端路堤的填土方量。初步方案选定了下承式钢桁梁和槽型梁两种梁型进行比选。下承式钢桁梁具有跨越能力强、刚度大、结构受力合理、工期短、技术成熟等优点，但杆件和节点较多，构造较为复杂，制造较为繁琐且造价高，后期维护工作量大；槽型梁在养护、减噪和抗振性能、造价等方面有明显优势，但其缺点在于结构受力不尽合理，传力途径较复杂。从设计、施工、后期维护简便性及造价低等角度考虑，本桥确定选用48 m预应力混凝土槽型梁。

2 结构形式

槽型梁主要由双侧空心主梁、道床板、端隔板和中隔板等组成，外部荷载通过道床板→主梁( 端隔板、中隔板)→支座的途径传力。当荷载从道床板传向主梁时，不仅引起主梁的弯曲，还会引起主梁的扭转。当跨度增大时，扭转效应将会加剧，使用箱形截面结构可以有效加强梁体的抗扭刚度。槽型梁截面、侧立面及纵剖面如图1所示。

从目前国内已建成运营的铁路槽型梁来看，墙式主梁多应用于跨径较小的单线铁路简支梁，小跨度的单线铁路槽型梁多用实心的主梁及实心的道床板，由于跨度小，自重对设计的不利影响不会很明显。由于该梁为双线铁路梁，横向设计必定是控制设计的因素之一，如果采用实心的道床板，经过试算，道床板厚度至少为1.2 m，自重很大，如此自重对设计的不利影响会变得很明显，且材料不够经济，制作也涉及大体积混凝土水化热问题，对下部基础的设计影响明显，需要增加造价。鉴于此，该梁设计采用箱形的主梁及箱形道床板。

3 结构设计

设计选用C55混凝土，二期恒载为149.9 kN/m，列车活载采用“中-活”载图式，混凝土收缩徐变按老化理论考虑，并参照规范考虑结构的温差应力。荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合。梁体跨中采用等高度设计，梁高为5.5 m，支点处梁高加高至6.5 m。主梁腹板厚度为0.32 m，上翼缘宽2.1 m，厚0.6 m，道床板顶板厚度为0.3～0.5 m，道床板底板厚度为0.28～1.28 m。全桥底板及腹板纵向预应力配置29束底板束，20束腹板束，均采用直径12～15.2 mm钢绞线，配以外径98 mm，内径85 mm塑料波纹管成孔，M15-12锚具锚固，张拉千斤顶采用YCW250B。钢束张拉、锚固采用真空辅助压浆工艺，两端对称张拉，张拉控制应力为1 302 MPa。道床板顶、底板横向预应力钢束均采用直径5～15.2 mm钢绞线，梁端底板底横梁加高部分横向预应力束采用直径9～15.2 mm钢绞线，张拉控制应力均为1 302 MPa。横向预应力钢束也采用两端张拉，分别采用BM15-5及M15-9锚具。结构预应力布置如图2～图4所示。采用平面杆系有限元程序进行结构计算，平面杆系有限元模型如图5～图6所示。对结构的正截面抗弯、斜截面抗剪强度、正截面抗裂及截面抗扭进行了验算。计算结果表明：主力作用下各项强度安全系数均满足规范要求，如表1 所示。

表1 强度检算结果

设计中采用杆系结构来进行纵向计算时，采用板的有效宽度来近似模拟主梁顶板和道床板的剪力滞后效应，有效宽度计算按相关规范办理。根据已有的设计及理论研究，在槽型梁设计中采用有效宽度来近似模拟主梁顶板和道床板的剪力滞后效应是可行的。

设计中通过建立ANSYS实体模型，查看局部应力，通过在最不利组合下应力较大的地方局部加强普通钢筋配置，避免混凝土产生过大的裂缝。本设计在支座处及梁端进人孔周边进行了普通钢筋加强。模型应力云图如图7～图8所示。

该梁端隔板及中隔板是重要的受力结构之一，端隔板及中隔板的设计对该梁的结构安全尤为重要。采用了5条腹板的截面形式，端隔板及中隔板的设计尤为复杂，因此必须求出端隔板及中隔板处截面每条腹板及顶底板的单项荷载传递到端隔板及中隔板的比值。通过建立MIDAS板单元空间模型，读取隔板处截面在单项荷载作用下每条腹板及顶底板所承担剪力的大小，求出每条腹板及顶底板所分担各单项荷载的比值。所分担单项荷载比值如表2所示。

表2 隔板处腹板、顶板及底板分配剪力比例

单独建立各个端、中隔板平面杆系模型。在求得每条腹板及顶底板所分担各单项荷载的比值后，读取平面杆系有限元模型中计算所得的单项荷载在隔板处产生的剪力，把单项荷载在端、中隔板处产生的剪力按照表2的荷载分配比值作用于端、中隔板模型中，进行其强度和应力检算。设计表明端隔板及中隔板结构设计满足规范要求，是安全可靠的。

该梁横向宽度较大，如按常规的桥面板设计方法设计，在横向跨中附近，道床板底板下缘会产生很大的正弯矩和竖向位移。该弯矩值过大，导致设计出来的道床板底板是不经济合理的。

根据位移相等原则，在整体梁的ANSYS实体模型，读取跨中截面横向中点处的位移值，根据位移的大小，在中腹板处施加一个节点弹性支挣(刚度为32 kN/mm)，边腹板施加一般支座，建立桥面板杆系单元计算模型如图9所示。

在桥面板平面杆系模型横向跨中处施加一个竖向的弹性约束，使桥面板平面杆系模型跨中竖向位移与实体模型中的竖向位移大小一致，进行桥面板的强度和应力检算。设计表明桥面板结构设计满足规范要求，是安全可靠的。

4 结论与建议

(1)文中所介绍的槽型梁设计方法是可行的，能够确保桥梁的安全可靠、经济合理。

(2)槽型梁的整体计算可以采用普通简支梁整体计算方法。桥面板以及隔板的计算必须采用平面杆系模型、板单元模型和实体模型相结合的设计方法。

(3)双线铁路应尽可能避免采用槽型梁。槽型梁截面应尽可能避免采用太复杂的截面形式，复杂的截面形式受力不明确，设计过程繁琐。单线槽型梁应尽量采用实心的主梁及道床板。

(4)槽型梁设计一定要有实体模型的辅助，通过分析实体模型可以更准确地建立槽型梁的平面杆系模型。

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Abstract：This paper is based on a simply supported U-shaped beam with a span of 48m of double-track railway, it introduces the structural design ideas briefly. The design difficulty of this beam is the diaphragm and the bridge deck. Because the ratio of bridge deck width and span is 14.6/48(0.304), and the bridge section structure is complicated with quite many web plates and chambers. If just relying on the common beam design means, it is not easy to get a safe and reliable, economic and reasonable design result. During the designing, the element system model, plate element model and solid model are analyzed with the finite-element method. Calculation result of the r element system model determines the overall size of the structure; Calculation result of the plate element model determines the diaphragm size; Analysis result of the solid model determines the mid-span section stiffness and displacement, and calculation model of the bridge deck based on the constant displacement principle determines the size of the web plate, roof and floor; Finally, the structure stress, deflection and so are check based on the solid element model. The results show that the design is safe and reliable, economic and reasonable, it can provide reference for similar projects.

引文格式：韦远征.双线铁路48 m简支槽型梁设计[J].高速铁路技术，2017,8(2)：41-44． WEI Yuanzheng.Design of 48 m Simply Supported U-shaped Beam of Double-track Railway [J].High Speed Railway Technology,2017,8(2):41-44.