李喜平，严爱国，张池权，陈佳宾

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

预应力混凝土槽形梁是一种下承式桥梁结构形式，底板作为行车道板，主梁腹板作为主要受力构件，与上承式桥梁相比，可大大降低自桥面至梁底的高度，当桥下净空受限制时，能有效地降低结构线路的高程［1]。

最早的预应力混凝土槽形梁是1952年建造的英国罗什尔汉桥，跨度48.6 m。此后日本、前苏联为适应立交的发展，对槽形梁做了大量的研究试验工作，建造了多座简支、连续槽形梁，并分别做了槽形梁的标准设计［2-3]，特别是日本高速铁路新干线中，因建筑高度限制也在多处立交中采用此种梁型，最大跨度61.4 m，斜交23°7'。瑞士里兹跨隆河公路桥，采用变高度槽形梁，跨度达到143 m。在轨道交通工程中法国的里尔建造了双线跨度50 m的预应力槽形梁;智利的圣地亚哥地铁5号线已建成双线槽形梁，并运行多年情况良好。

国内槽形梁的应用较晚，我国学者对槽形梁的设计理论做了大量的研究并且已经应用于工程实践。在铁路上已有不少应用，例如北京铁路枢纽双桥编组站内的为京秦线跨越京承线而设的2孔跨度为24 m的单线槽形梁、京承线双怀段怀柔车站附近的为跨越京丰公路而设的1孔跨度为20 m的双线槽形梁、天津南仓疏解工程京山特大桥使用的跨度32 m槽形梁、浙赣复线江西弋阳葛水河的跨度为(25+40+25)m的单线槽形连续梁，以及铜九线上跨318国道的(40+64+40)m单线槽形连续梁［4]，在朔黄铁路、兰新铁路第二双线等也有应用［5-6]。

2 工程概况

沪通铁路赵家沟特大桥处于上海市浦东新区镜内，桥址处为密集居民区，从杨园新村小区边通过需采用半封闭式声屏障，依次跨越赵高路、高桥港、新龙路。高桥港为上海市一级河道，河面宽44.5 m、河底宽20 m、河底高程-1.5 m，与铁路交角21°，要求桥墩不得进入河道底宽范围。河道两岸分别为赵高路和新龙路。赵高路正宽9.5 m，与铁路交角18°。新龙路红线宽12 m，与铁路交角23°。受通航净空和线路高度的影响，结构高度受到限制，设计拟采用(80+108+80)m槽形连续梁方案，两个边跨分别跨越赵高路和新龙路，中跨跨越高桥港，轨道设置在槽形梁的底板上，结构高度小，既可以满足结构高度的要求，槽形梁的腹板又可以兼做声屏障，具有良好的景观效果，见图1。

图1 桥梁效果图

3 主要技术标准

(1)设计速度:设计最高运行速度200 km/h。

(2)线路情况:双线，曲线，正线线间距为5.1 m，曲线半径1960 m。

(3)环境类别及作用等级:一般大气条件下无防护措施的地面结构，环境类别为碳化环境，作用等级为T2级。

(4)设计使用年限:正常使用条件下梁体结构设计使用寿命为100年。

(5)轨道:桥上采用有砟轨道。

(6)列车活载:采用“中-活载”;温度荷载:设计合龙温度取15～25℃，均匀温差按升降温20℃;基础不均匀沉降:相邻两支点不均匀沉降差不大于2.0 cm。

4 结构设计

桥梁孔跨布置为 (80+108+80)m，预应力混凝土槽形连续梁，全长269.6 m(含两侧梁端至边支座中心各0.8 m)。

桥面横向布置:1.8 m(人行道板)+0.25 m(挡砟墙)+2.2 m+5.1 m(线间距)+2.2 m+0.25 m(挡砟墙)+1.8(人行道)。挡砟墙内侧净宽8.8 m;单侧人行道宽度为1.8 m，中支座处为0.8 m，边支座和中跨中处为1.3 m。如图2所示。

图2 桥面横向布置(单位:cm)

4.1 主梁构造

梁体采用 C55混凝土，fc=37.0 MPa，fct=3.30 MPa，Ec=3.60×104MPa，梁体为等高度槽形梁，腹板带有大圆孔，总高11 m。梁截面内、外轮廓为圆弧形，其上方最大宽10.496 m，下方为14.7 m，梁体中间最宽处为15.12 m。圆孔直径4 m，中心距为8 m。腹板厚度一般为0.7 m，中支座处加厚为1.7 m，边支座和中跨中处加厚为1.2 m;底板厚度一般为0.7 m，边支座和中支座处均加厚为1.2 m;上部翼缘厚度为0.6～1.545 m。顶部设有横撑，横撑一般宽1.0 m，高0.6 m，中心距8 m;支座处横撑宽2 m，高0.8 m，边支座处相邻的两个横撑净距8.3 m，中支座处相邻的两个横撑净距5 m。梁体立面布置如图3所示。

图3 1/2梁体立面布置(单位:m)

主梁采用三向预应力，纵向、横向预应力采用低松弛高强度钢绞线，产品符合GB/T5224-2003的标准，标准强度fpk=1 860 MPa、公称直径15.2 mm、公称截面积140 mm2;Ep=1.95×105MPa;采用夹片锚锚固体系，制孔采用金属波纹管。竖向预应力采用φ32 mm预应力混凝土用螺纹钢筋，型号为PSB830，产品符合GB/T20065—2006标准。

主梁混凝土用量8 769 m3，纵向预应力筋用量356.5 t。

4.2 平面分析

主梁纵向计算分析采用桥梁结构分析系统BSAS4.2.3，对施工、运营阶段进行了模拟计算。计算过程考虑了:梁体自重、二期恒载、预应力、施工临时荷载、活载、支座不均匀沉降、均匀升降温等，并考虑了施工过程中体系转换的影响、混凝土收缩徐变及预应力损失的影响。主梁主要计算结果见表1，各项指标均满足规范要求。

主梁最大静活载挠度:-8.5 mm，为跨度的1/12 705;梁端最大静活载竖向转角:0.197‰。可见梁体刚度较大，满足规范要求。轨道铺设完成后主梁的竖向残余徐变变形为-4 mm，主梁成桥10年后恒载竖向位移为-9 mm。主梁支座反力计算结果见表2。

表1 主梁主要计算结果

表2 主梁支座反力计算结果kN

梁部横向计算采用桥梁博士3.1.0，顺桥向长度取1.0 m的梁段，模拟为支撑于腹板中心线下缘的U形结构进行计算，计算荷载包括自重、二期恒载、预应力、温度、收缩徐变等。计算结果表明，横向计算结果满足规范要求。

4.3 空间分析［7]

通过midasFEA建立空间模型分析，用实体单元模拟混凝土，用钢筋单元模拟预应力钢筋，荷载效应考虑结构的自重、二恒、收缩徐变、列车活载。有限元模型见图4。

图4 全桥有限元模型

图5 中支点处截面等效应力图

限于篇幅，由于结构的对称性，本文仅给出中支点处截面、主跨跨中截面、以及中支点附近梁段的部分计算结果。中支点处截面等效应力见图5，此处截面顶部有横撑，腹板局部进行了加厚，从图5中可以看出腹板下方支座处局部应力较大，最大值33.2 MPa;同时可以看到腹板与顶板交界附近应力也相对较大，为14.33～23.81 MPa，其余部分应力不大，分布均匀，为4.84～9.59 MPa。

主跨跨中截面等效应力见图6，此处截面顶部没有横撑，可以看出截面应力比较均匀，最大应力为9.97 MPa，最小应力为4.85 MPa。

图6 主跨跨中截面等效应力图

中支点附近梁段(中支点两侧各30 m)等效应力见图7，可以看出中支点两端14 m处腹板与顶板、底板交接处应力都比较大，局部最大约为24.07 MPa，这是因为此处为施工分段处，预应力索局部锚固效应引起的;腹板大圆孔由于局部截面削弱，圆孔边缘应力较大，局部最大约为19.35 MPa。

图7 中支点附近梁段等效应力

空间分析计算结果表明，槽形梁整体受力合理，都能满足混凝土的强度要求。

4.4 自振特性分析

自振特性分析计算软件采用Midas，模拟结构实际约束情况，2个边墩、1个中墩均采用1个多项活动支座+1个横向固定纵向活动支座，另一个中墩采用1个固定支座+1个横向活动纵向固定支座。通过计算，第1阶振幅为1阶竖向弯曲，自振频率为4.704 Hz，第 2阶振幅为 2阶竖向弯曲，自振频率为7.265 Hz。

5 结语

预应力混凝土槽形梁在横向是一个开口U形结构，空间效应明显，不能仅做平面分析，还必须做空间分析［2]。该结构形式，相对于箱形截面，抗扭刚度小，设计时应该引起注意，在梁顶应根据需要设置横梁，可以增加结构的抗扭刚度。在支点附近，由于净空的限制，不能像箱形截面一样设置横隔板，为了将梁体荷载传递给支座，避免局部应力较大，可以采取适当加厚腹板和底板的措施。

预应力混凝土槽形梁，根据结构受力情况，跨中截面的腹板高度可为支点处的0.5～0.66倍，采用变高度梁布置是经济的方式。本项目采用等高度梁，主要是考虑梁体的美观，更好地与周围环境相协调，同时通过在腹板上设置圆洞，达到变高度梁节省材料的效果，取得良好的景观和经济效应。

［1]胡匡璋，江新元，陆光闾.槽形梁［M].北京:中国铁道出版社，1987.

［2]Javier Manterola Armisen，Antonio Martinez Cutills.High Speed Railway Bridge over the Ebro River，Spain［J].St ructural Engineering International，2003(3):174-176.

［3]周璞.两座新颖的高速铁路桥简介［J].世界桥梁，2005(4):1-4.［4]陈铭.铁路预应力混凝土槽形梁研究［J].铁道标准设计，2009(6):39-41.

［5]范连合.加设封闭式防护罩的预应力混凝土槽形梁整体设计研究［J].铁道标准设计，2011(11):62-66.

［6]缪文辉，何涛.兰新二线风区槽形梁设计分析［J].铁道标准设计，2010(11):44-47.

［7]陆光闾.连续铁路槽形梁桥空间效应分析［J].铁道学报，2000(5):41-45.

［8]中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范［S].北京:中国铁道出版社，2005.

［9]中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S].北京:中国铁道出版社，2005.