颜晓伟

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引 言

近年来随着城市交通的发展，公轨一体化高架得到了广泛的应用和研究[1-2]。目前国内公轨一体化高架上层多为城市快速路、下层为轨道交通。简支槽型梁具有截面空间利用率高、结构整体高度低等特点，在公轨合建下层轨道交通中应用广泛。近年我国在上海、南京、宁波等城市先后进行了大量的工程实践[3]。

简支槽型梁跨度小，适用跨径一般为25～35 m，且结构特殊、受力行为不明确、受力复杂[4-6]，性能区别一般混凝土箱梁。为进一步提高槽型梁跨度、明确其受力行为，本文以某地公轨合建工程为背景，采用“槽型+ 箱型”组合截面，设计35 m+50 m+35 m 大跨“槽型+箱型”组合截面预应力混凝土连续梁。采用ANSYS 有限元软件建立三维实体模型，首先研究该组合截面正应力分布；其次对组合截面剪力分布、桥面板局部应力集中、3 支座支反力分布进行分析；最后对该结构体系桥面板进行配筋设计。上述研究可为该结构的应用和推广提供一定的参考价值。

1 组合截面设计及力学性能

1.1 组合截面设计简介

槽型+ 箱型”组合截面包括槽型和箱型两部分。槽型部分含边、中腹板，底板（兼做箱型部分顶板）；箱型部分边、中腹板及底板。边跨等高段、中跨跨中截面总高度2.775 m（箱型高度1.20 m、槽型高度1.575 m）；中支点处梁总高为4.075 m（箱型高度2.5 m、槽型高度1.575 m），梁高变化段采用二次抛物线；边跨截面过渡为完全槽型截面（梁高1.975 m），与相邻标准段简支槽型梁顺接。中腹板厚度统一采用0.8 m；槽型部分边腹板0.425 m；箱型部分边腹板跨中为0.4 m，中墩及边墩支点处厚度为0.5 m；槽型部分底板厚度0.27 m，箱型部分底板厚度由中支点0.6 m 渐变为跨中0.27 m，边支点处增厚为0.49 m。构造图详见图1。

图1 35 m+50 m+35 m 预应力混凝土连续梁立面及横断面图（单位：mm）

1.2 有限元模型建立

采用ANSYS 有限元软件进行建模[7-8]，对全桥结构进行数值模拟。实体模型共3 115 606 个单元，3 509 844 个节点；混凝土采用solid45 实体单元模拟，预应力钢绞线采用link8 单元模拟，ANSYS 模型见图2、图3。采用约束方程模拟预应力筋和混凝土间的粘结；根据实际支座设置建立边界条件；荷载作用位置及大小均按实际情况模拟。

图2 全桥有限元模型示意图

图3 横断面有限元模型示意图

1.3 纵向正应力分布规律

对于“槽型+ 箱型”组合截面是否满足平截面假定进行分析。取1/2 中跨分析（长度25 m），考虑在自重作用下（未施加预应力）不同位置处截面纵向正应力分布。按照3 m 间距取截面，分析中腹板范围正应力分布，详见图4。

图4 自重作用下截面正应力分布图（单位：MP a，拉正压负）

上述分析可知：自重作用下组合截面正应力呈线性分布，满足平截面假定。实际设计中，如预应力配束等可按照杆系有限元模型进行分析。

2 组合截面受力研究

组合截面结构特殊、受力复杂，需重点考察截面剪力分布；槽型部分底板与箱型部分桥面板衔接段受力复杂；该结构桥面板受力不同于箱梁桥面板，应予以分析。

2.1 截面剪力分布

组合截面中抗剪主要由槽型、箱型各自边、中腹板分担。基于ANSYS 有限元模型，考虑自重+ 预应力下不同位置、同一位置处截面不同部位剪力值分布，剪应力分布如图5 所示。取1/2 中跨7 个断面处截面（见图6），计算结果见表1。

表1 截面剪力值分布表 单位：kN

图5 中支点组合截面不同部位剪应力云图（单位：P a）

图6 剪力值计算截取位置

上述计算分析表明：一是中支点附近（A-A、B-B）箱型断面剪力值为槽型的2～3 倍；D-D 断面至跨中，槽型部分剪力值大于箱型部分，在跨中附近（F-F～G-G）约为箱型部分的2 倍；二是槽型部分剪力最大值出现在D-D 断面，约为1/4 跨径处，箱型部分中支点附近最大；三是槽型、箱型部分边腹板承担的剪力值均大于其中腹板，C-C 断面向跨中箱型部分边、中腹板承担的剪力值基本相同。根据上述剪力分布可进一步细化边、中腹板截面箍筋设计。

2.2 槽型底板（箱型顶板）受力分析

“槽型+ 箱型”组合截面中槽型底板兼做箱型顶板，槽型部分边腹板与其底板衔接处受力复杂，需进行分析。

采用ANSYS 模型分析，计算结果如图7 所示。上述计算表明：槽型部分边腹板与底板衔接处应力集中明显；边、中墩支点附近处该位置正应力达到峰值，计算结果表明该处承受较大弯矩、剪力值。

图7 槽型部分边腹板与底板衔接处应力图

2.3 边墩支座反力分布

边墩为保证与相邻标准槽型梁顺接，过渡为完全槽型截面。为保证支座受力均匀、合理，边墩支点断面每道腹板下均设支座，共设3 支座，如图8 所示。根据有限元模型提取恒载+二期、恒载+二期+列车静载下支反力，详见下表2。

表2 端部支反力分布表 单位：kN

图8 边支座布置示意图（单位：mm）

上述计算结果表明，左、右支座分担支反力约为中支座70%；3 个支座搁置于双柱柱间横梁上，该横梁计算应按照上述实际计算支反力值分布加载。

3 桥面板配筋

“槽型+ 箱型”组合截面桥面板同时承受自重、二期、列车活荷载、梯度温度等。槽型部分边腹板与底板衔接处应力集中明显，应加配筋。桥面板配筋应根据上述衔接处、悬臂端和跨中取包络设计。

根据ANSYS 模型分别计算三处弯矩值、剪力值，按照钢筋混凝土构件配筋如下，如图9 所示。

图9 槽型部分底板（箱型部分）配筋示意图

（1）槽型边腹板与底板衔接处1-1 断面：板厚采用484 mm；该区域除桥面板钢筋外，需另设置#G1钢筋，直径28 mm@150 mm 进行加强；同时在中腹板与槽型底板衔接处同样加强钢筋。

（2）桥面板悬臂端2-2 及跨中3-3 断面：板厚分别为470 mm、270 mm；底板顶部#G2 采用直径25 mm@150 mm，底板底部#G3 直径20 mm@150 mm。

4 结 语

以某工程35 m+50 m+35 m 大跨“槽型+ 箱型”组合截面连续混凝土梁设计为背景，从组合截面正应力分布、截面剪力分布、槽型底板（箱型顶板）不同部位受力、端支点支座反力分布、桥面板配筋进行分析和设计。主要结论如下：

（1）“槽型+ 箱型”组合截面在自重作用下截面正应力呈线性分布，满足平截面假定。

（2）组合截面中槽型、箱型腹板剪力分布具有差异性。中支点附近箱型部分梁高较高时，箱型腹板承担59.5%～62.2%截面总剪力值，槽型部分腹板承担20.4%～30.6%；中跨跨中截面箱型部分梁高较低时，箱型部分腹板承担34.5%～35.7%，槽型部分腹板承担60.8%～61.1%。

（3）同一断面处，槽型部分边腹板分担剪力值要大于其中腹板；箱型部分边腹板与中腹板剪应力相差较小。实际工程设计中需根据上述剪力分布适当细化边、中腹板箍筋设置。

（4）边墩支点处槽型部分截面设置3 个支座，左：中：右支座反力比例约为1∶1.42∶1。

（5）通过对槽型底板（箱型顶板）边腹板与底板衔接处、悬臂根部及跨中弯矩及剪力计算，按钢筋混凝土构件配置桥面板钢筋。边腹板与底板衔接段需加强配筋，悬臂根部处及跨中部位配筋可取包络设置。通过合理配筋保证桥面板在运营阶段承载力、裂缝均满足规范要求。