方亚非，洪 浩，张剑英，朱鸿欣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市　200092）

轨道交通新型节段预拼桥梁受力特性研究

方亚非，洪 浩，张剑英，朱鸿欣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

在上海市轨道交通17号线高架区间，某主跨55m的节段预制拼装混凝土连续梁桥，采用上U下箱的新型截面。现通过实体有限元模型，分析其各腹板的剪力分配情况，用以指导该桥梁的抗剪设计；同时研究了其横向受力特性，以指导横向配筋设计。

上U下箱截面；节段预制拼装；剪力；横向受力

1　工程概况

在上海市轨道交通17号线跨越路口及河流区段，首次采用了上U下箱的新型截面梁桥。U梁利用底板支承轨道及列车，腹板兼具隔音屏障的作用，建筑高度低、结构轻巧美观［1］，然而在跨越部分路口及河道时，桥跨布置超出了简支U梁的适用范围，有必要采用连续梁桥进行跨越。为使其景观效果与邻近的简支U梁协调统一，采用上U下箱的新型截面，如图1所示：中墩附近的截面以箱形为主，箱形截面为主要受力区域；从中墩向边墩及跨中，截面逐渐由箱形向U形过渡；边墩墩顶与简支U梁交接处，连续梁截面完全变为U形。

图1　新型截面连续梁桥外形示意图

混凝土桥梁的节段预制拼装技术，可以加快施工速度，最大限度地减轻对桥位环境影响和交通干扰，易于保证工程质量，且能降低桥梁生命周期成本［2］。考虑到上述技术经济优势，该节点桥梁施工采用节段预制拼装技术：待桥墩施工完成后，在承台上搭支架浇筑0号块件；主梁悬拼节段采用短线法预制，吊机逐段悬拼施工；最后合拢中跨，形成连续结构。

上U下箱新型截面连续梁桥结构新颖，结构受力状态复杂，需要对这种结构形式进行详细分析。本文通过对某跨径布置33 m+55 m+33 m的上U下箱新型截面连续梁桥（见图2）的实体有限元分析，对腹板剪力分配以及横向受力特性进行了详细分析，以全面地了解该结构的受力性能，确保结构设计的合理性与安全性。

图2　新型轨道交通节段预拼桥梁截面图

2　实体有限元分析

2.1有限元模型介绍

采用ABAQUS软件进行实体有限元分析，为缩减计算规模、提高计算效率，在中跨跨中截面施加对称约束建立半桥模型，如图3所示。混凝土梁体采用C3D8R实体单元模拟，预应力筋采用T3D2桁架单元模拟，预应力筋采用节点固结的方式嵌入混凝土。

图3　桥梁实体有限元模型

在有限元模型中，按施工步骤分步添加梁体节段并张拉预应力，同时注意施工过程中边界条件的转换。

2.2腹板剪力分配

梁跨内的荷载主要通过腹板上的分布剪力进行传递，腹板剪力控制着结构抗剪承载力设计。因此，将各腹板划分成独立的抗剪区域（见图4），对各区域的剪力分配情况进行分析。中腹板刚度最大，大致等于U腹板1、U腹板2、箱腹板1及箱腹板2的刚度之和。

图4　截面抗剪区域划分示意图

当桥梁对称悬拼至最大悬臂状态时，墩顶附近上U下箱形截面剪力最大。偏保守地不考虑预应力的作用，仅计入自重。表1列出了各截面腹板区域的剪力分配情况，其中距中墩墩顶1 m的截面为横隔梁边界，距中墩墩顶3.2 m的截面为现浇段中间位置，其余截面为预制节段接缝面。

表1　各截面腹板区域承担的剪力一览表

由表1可得出以下结论：

（1）中腹板承担的剪力最大，大致相当于其他各腹板承担的剪力之和。可见，各腹板剪力的分配与腹板自身刚度有关，腹板刚度越大则承担的剪力越大。

（2）中墩墩顶附近箱形截面为主的区域，箱形截面的3道腹板承担了50%以上的剪力，而U腹板承担的比例很小。这表明，中墩墩顶附近的梁体，箱梁受力特征显著。

（3）远离中墩的位置，梁体截面中箱形部分结构高度不断减小，上方U形部分占据截面的比例逐渐增加，截面剪力也相应地由箱梁承担转移到U梁承担，U梁受力特征显著。

2.3横向受力特性

既有研究表明，槽型梁桥道床板沿纵向产生的裂纹是其主要病害之一，此病害主要缘于较大的横向弯矩［3］。对于本文研究的上U下箱形新型截面梁，这里重点关注其横向受力。

在自重及预应力作用下，上U下箱形变截面连续梁顶板横向正应力如图5所示。

图5　顶板横向正应力分布云图

顶板横向正应力最大值位于中墩墩顶截面，该截面的横向正应力分布如图6所示。顶板上部受拉、下部受压，悬臂板横向拉应力峰值3.9 MPa。

图6　中墩墩顶横向正应力分布云图

而在远离墩顶的U形截面处，如图7所示，U形截面的底板同样上部受拉、下部受压，中腹板与底板隅角处横向拉应力最大，达到0.9 MPa。

图7　U形截面部分横向正应力分布云图

上述分析表明，中墩附近的截面以箱形为主，箱体部分刚度较大，横向受力可比拟成箱体作支承的悬臂结构，悬臂根部最为不利；距中墩较远的U形截面部分，中腹板刚度较大，横向受力可比拟成中腹板作支承的悬臂结构，悬臂根部最为不利。

在上述横向拉应力最大的两个截面位置，沿桥梁纵向取1 m长的节段，对该区域内的横向应力进行积分，可以得到横向弯矩，用以指导横向配筋设计，结果列于表2。可见，该节点桥梁的横向配筋安全合理。

表2　横向弯矩结果一览表

3　结　语

上U下箱形结合截面是一种兼顾景观需求、结构受力与设备布置的巧妙组合，通过对轨道交通新型节段预拼桥梁的实体有限元分析，发现其结构受力的主要特点：

（1）各腹板剪力的分配与腹板自身刚度有关，腹板刚度越大则承担的剪力越大。中墩墩顶附近箱形截面为主的区域，主要表现为箱梁受力特征。远离中墩的U形截面为主的区域，主要表现为U梁受力特征。

（2）中墩附近的截面，其横向受力可比拟成箱体作支承的悬臂结构，悬臂根部最为不利；距中墩较远的U形截面部分，其横向受力可比拟成中腹板作支承的悬臂结构，悬臂根部最为不利。

［1］张吉，陆元春，吴定俊.槽形梁结构在轨道交通中的应用与发展［J］.铁道标准设计，2013，（10）:78-82.

［2］Culmo M P.Connection details for prefabricated bridge elements and systems［R］.FHWA-IF-09-010，2009.

［3］黄侨，陈卓异，杨明.槽型梁桥力学性能的研究现状与展望［J］.中外公路，2013，33（6）:131-135.

U441+.5

A

1009-7716（2016）07-0286-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.085

2016-04-20

方亚非（1971-），男，湖南新化人，博士，教授级高级工程师，从事交通工程设计研究工作。