周津斌 杨克鉴 田子瀚

(中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308)

1 研究背景

槽形梁具有建筑高度低、后期运营维护费用低、列车噪声污染小等特点，底板作为行车道板，边主梁作为主要受力构件，在净高受限的跨越工点上被铁路桥梁普遍采用。目前铁路槽形梁大多采用现浇施工，但位于小半径曲线上采用转体施工的连续槽形梁并不多见，针对下承式薄壁开口截面的受力特点，有必要对关键问题进行研究。

2 基本概况

2.1 桥址条件

工程位于内蒙古通辽，为京通铁路跨越既有大郑线及新建大郑疏解线而设。既有大郑线为双线电气化铁路，斜交角度149°，相交处既有铁路路基填土高度2.3 m。新建大郑疏解线为电气化单线铁路，斜交角度143°，相交处路基填土高度3.7 m。

桥址位于西辽河冲积平原，地势辽阔坦荡，海拔200～300 m[1]。桥址区地层主要为第四系上更新统冲洪积粉土、细砂、粉砂(局部为细砂)、粉质黏土。地震动峰加速度Ag＝0.1 g，动反应谱特征周期Tg＝0.45 s，土壤最大冻结深度1.5 m。所在地气温变化较大，通辽地区最冷月平均气温－15℃，最热月平均气温24℃，初始温度按10℃考虑，极端最低气温－20℃，属于严寒地区。

2.2 主要技术标准

单线，设计时速V＝120 km/h；主桥位于i＝－5.2‰的纵坡及半径R＝800 m的圆曲线上；设计活载为中－活载。

3 设计概况

3.1 孔跨及桥型拟定

受平面控制，采用40 m跨度跨越新建大郑疏解线，56 m跨度跨越既有大郑铁路。受纵断面限制，综合考虑跨越净空、地形条件、地质气象等控制因素后，采用(40＋56＋40)m预应力钢筋混凝土槽形梁，现浇部分梁段后平转施工，桥跨布置及转体施工现场见图1、图2。

图1 桥跨布置(单位:cm)

图2 转体施工现场

3.2 上部结构

3.2.1 槽内净宽及桥面布置

槽内净宽主要受建筑限界、风压带宽度、电缆通道、人行通道等几个要素控制[2]，合理制定槽内净宽对确定梁体的整体宽度、墩顶宽度及工程造价至关重要。本梁前后衔接简支T梁，线路中心线距挡砟墙内侧为2.25 m；并考虑检修人员的避车空间，槽内人行道宽度为1.05 m，两侧设0.15 m宽栏杆扶手。通过以上原则最终确定槽内净宽6.9 m，槽顶宽度受边主梁局部加宽影响为6.6 m。本梁不单独设电缆槽，电缆放置于人行道步板下的空间内。为便于养护维修，两侧箱形边主梁顶设人行道及栏杆，梁端设从桥面板至边主梁顶的爬梯，接触网立柱因受建筑限界控制设于边主梁顶。桥面布置见图3。

图3 桥面布置面(单位:cm)

3.2.2 主梁构造

主梁按半径800 m的圆曲线曲梁曲做，采用C55混凝土。考虑主梁的扭转及纵向钢束的布置，侧腹板采用抗扭刚度较大的箱形截面，以增强槽形梁整体性及横向刚度[3]。边支座中心线距梁端0.55 m，边支点与中跨跨中梁高3.5 m，中支点梁高5.4 m(含支点处横梁高度0.8 m)，边主梁顶由支点向跨中按R220.55 m的圆曲线变化。梁底宽11.3 m，槽内净宽6.6 m。为将梁体荷载传递给支座，避免局部应力过大，采取适当加厚腹板和底板的措施[4]。箱形边主梁的腹板厚度为0.4～0.45 m，按折线变化，顶板厚度0.47 m。行车道板最小厚度0.6 m。支点设高1.4 m的横梁，边支点处宽为1.5 m，中支点处宽为3.0 m。典型横截面尺寸见图4。

图4 半中支点－半跨中横截面(单位:cm)

3.3 下部结构

桥墩采用圆端型实体墩，主墩采用12根1.25 m钻孔灌注桩。为减小施工对既有线运营影响，承台采用八角形且部分高度露出地面，受转体装置受力及构造要求控制，厚度为6.1 m。

3.4 转体装置

转体装置选用转体支座，转体系统立面图及平面图见图5、图6。

图5 转体系统纵向立面图(单位:cm)

图6 转体系统平面图(单位:cm)

(1)下转台为C50钢筋混凝土结构，高2.5 m，设置转体装置、撑脚的环形滑道。

(2)转体装置选用ZTQZ-50 MN型支座，底座高度为55 cm，采用地脚螺栓＋套筒螺杆的连接方式。

(3)每个上转台下设有8组撑脚，每组撑脚为双圆柱形，下设30 mm厚钢走板。在撑脚的下方设有1.1 m宽的滑道，滑道中心线半径4.5 m。

(4)上转台为C50预应力混凝土结构，在整个转体过程中形成多向、立体的受力状态，上盘布有纵、横、竖三向预应力钢筋。转台为八边形，高2.0 m，转盘直径10 m。转台内预埋转体牵引索，牵引索的预埋端采用P型锚具，同一对索的锚固端在同一直径线上并对称于圆心。

(5)转体总重量为35 000 kN；启动时所需最大牵引力为227.5 kN，转动时所需要最大牵引力为136.5 kN。

3.5 施工方法

在既有线两侧支架现浇后转体施工。共分9个节段浇筑，第一段为中支点两侧在支架上各现浇12 m，第二段为在支架上继续向两侧现浇13 m，脱架后进行转体，就位后采用封闭吊架浇筑中跨2 m合龙段，最后在支架上现浇剩余边跨节段13.55 m。

4 设计要点

4.1 箱形边主梁的双向日照温差影响

开口截面的槽形梁由于日照辐射面积大，对环境中的温度变化极为敏感。不同于箱梁的悬臂板能够有效遮挡水平日照辐射对腹板的影响，槽形梁的箱形边主梁的侧面完全暴露，应充分考虑沿梁宽方向的日照温差影响。受日照辐射作用影响，槽形梁顶板温度变化值最大，腹板次之，底板最弱[5]。对于本桥边主梁，根据所处的地理位置及方位角确定单向竖向温差20.4℃；双向温度组合按竖向温差13.7℃，沿梁宽方向温差16.3℃。对于本桥行车道板，由于上铺设防水层及道砟的隔热作用，利于降低非线性温差对结构的影响，竖向温差按10℃考虑。

4.2 剪力滞效应及有效宽度

与普通上承式梁相比，槽形梁结构受扭作用较大，在主梁腹板与道床板的连接角隅部位，主拉应力和剪应力都较大[6]。本桥行车道板横向跨度较宽，主梁宽跨比较大，应对弯曲应力的横向分布曲线(见图7)进行分析，考察其剪力滞效应，校核设计采用的有效宽度，使折减后的宽度按初等梁理论算得的应力值和实际峰值接近。

图7 纵向应力沿桥面横向分布曲线

通过图7所示平均应力与最大应力的比值得出各部位的有效宽度系数，并与铁路规范[7]中箱梁截面有效宽度折减系数的计算方法进行对比。由表1可知，通过模型得出的有效宽度系数在中支点与规范结果最为接近，边支点及跨中比规范结果稍小。两种计算方法的剪力滞受力特征一致，即中支点剪力滞效应最大，其次为边支点，跨中影响最小。

表1 有效宽度计算结果对比

4.3 弯扭耦合影响及纵向计算

槽形梁为边主梁与行车道板组成的空间结构，本桥位于半径800 m的小半径圆曲线上，荷载从行车道板传向边主梁，不仅引起主梁的弯曲，结构还要同时承受协调扭转力矩和平衡扭转力矩。鉴于铁路预应力混凝土梁多按不出现拉应力设计，主梁协调扭转力矩不考虑行车道板开裂引起的内力重分布影响，因此认为混凝土槽形梁主梁上始终存在弯扭耦合的力学现象[8]，故本桥采用箱形边主梁增强结构的抗扭刚度。现行铁路桥涵设计规范对于混凝土受扭构件无具体要求，设计时参考相关规范[9]按弯剪扭构件检算。

采用“桥梁博士”有限元程序建立平面杆系模型，因程序局限性无法考虑扭矩效应，通过偏心率推算考虑曲线梁偏载系数；采用MIDAS有限元程序建立单梁及梁格模型，其中梁格模型箱形边主梁的两道腹板和桥面板沿纵向分为5个单元，横向刚度连接且不考虑质量。梁部按全预应力构件设计，纵向计算结果对比如下:

从表2和表3中可以看出，中支点最大差值1.91 MPa，主跨跨中最大差值0.95 MPa，主要为不同有限元分析软件的差异所致，但各项计算指标均满足规范要求，且具有较大的压应力安全储备。

表2 运营阶段正应力对比(一) MPa

表3 运营阶段正应力对比(二) MPa

4.4 转体过程中最大悬臂状态的梁体受力

桥梁受力状态是与施工过程紧密联系的[10]。与常规槽形连续梁在支架上全阶段现浇施工有所不同，本桥为现浇完成6个节段后脱架转体，合龙前下承式薄壁开口截面存在(27＋27)m的曲线T形悬臂状态，且施工中承受不平衡重及梁部竖向不平衡风力等不利因素，有必要对此阶段的梁体受力进行分析[11]。

由表4可知，主梁在合龙前转体过程中的最大悬臂状态下，截面未出现拉应力，安全储备较好。

表4 施工阶段最小正应力对比 MPa

4.5 曲线梁转体时横向偏载影响

对于曲线转体梁，除少量的偏心可通过配重解决外，还需采用设置横向预偏心的方法解决曲线桥梁面外不平衡弯矩[12]。本桥位于小半径圆曲线，曲梁曲做且转体时悬臂状态长度较长，横桥向结构重心与桥墩中心偏离，加之施工过程中的临时荷载及风力影响，大悬臂状态下一旦出现不平衡将会引起梁体倾斜，甚至发生转体支座被剪坏，外环撑脚局部受压破坏等现象[13]。故通过设置偏心来保证转体过程中的结构平衡，优化转台及转体支座受力。设计中横桥向桥墩中心应相对上转台中心向曲线外侧设置偏心，上转台及转体支座中心与下转台中心重合。

4.6 0号段局部分析

槽形梁的受力状态呈现出明显的空间受力特性，单纯依靠一般的杆系结构分析难以准确分析结构的应力状态，尤其是局部应力状态，有必要进行空间结构分析。

对12 m长0号梁段建立实体模型，分析结果表明(扣除预应力施加的局部应力集中影响):

(1)中横梁顶面与腋角交接处出现拉应力，需局部加强钢筋。

(2)纵桥向应力，最不利受压状态时，腋角处最大压应力为13.3 MPa，满足规范要求；人孔上、下中横梁部位出现少许拉应力0.8 MPa，局部需加强钢筋。

(3)在横向预应力作用下，行车道板顶底均处于受压状态，压应力在2.75～3.60 MPa。

4.7 转体结构分析

建立上、下转台的实体模型，墩高取2 m、上转台、转体支座、垫石、下转台及桩基础进行转体阶段受力分析。

分析结果表明:

(1)上转台为预应力结构，顺桥向应力0.78～－5.26 MPa、横桥向应力 0.16 ～1.98 MPa，正应力均为压应力，全截面不出现拉应力，主拉应力最大值0.9 MP，主压应力最大值6.23 MPa。

(2)转体装置底座，最大压应力13.2 MPa，最大拉应力－1.52 MPa，拉应力出现在垫石顶，需局部加强钢筋布置。

(3)下转台为钢筋混凝土结构，最大压应力6.57 MPa，最大拉应力－1.11 MPa。转台顶面及桩头处出现拉应力，需局部加强钢筋布置；最大主拉应力2.68 MPa，出现在转台底面中心，拉应力值向顶面递减，需加强局部钢筋，最大主压应力7.85 MPa。

5 结语

新建京通疏解线特大桥(40＋56＋40)m转体施工的曲线连续槽形梁，为京通铁路电气化改造工程的重点控制性工点，也是国内首座应用于转体施工的铁路连续槽形梁，于2017年7月合龙，2019年通车至今运营状态良好。该桥结构特点为小曲线半径的下承式薄壁开口截面，面临箱形边主梁的双向日照温差影响、开口截面的小曲线半径梁弯扭耦合影响、边主梁与行车道板连接处的剪力滞效应及有效宽度确定、转体过程中最大悬臂状态的梁体受力、曲线梁转体时横向偏载引起的梁体倾斜等问题。通过结构分析和优化设计，解决上述关键技术，研究成果可为同类工程提供一定参考。