变截面U箱组合节段梁结构施工力学特性分析*

陈 琳，袁剑阁，裴 伟，李 航，任 博

(中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北 武汉 430061)

0 引言

U箱组合梁是继预制节段梁之后的一种新型桥梁结构形式，其同时具有U形梁和箱形梁的优点，抗扭强度大，结构外形美观，结构上部腹板与附属结构相结合，方便施工及日后养护维修，总体适应性更强。近年来，U箱组合梁结构受到国内、外专家的关注。马忠政[1]研究了节段拼装式双U形-箱形截面连续梁桥的静力特性，得到U形梁截面应变沿梁高近似呈线性变化和应力横向分布的规律。王连广等[2]基于能量原理，考虑弯矩耦合和滑移效应的影响，得到组合梁在不同剪滞翘曲位移下的应变变化规律及各参数对曲线组合梁的影响曲线，为解决曲线组合梁剪力滞问题提供了思路。李学斌等[3]通过研究预制混凝土节段梁接缝面的抗剪承载力，得到平面干接缝增设剪力键可显著提高接缝的抗剪承载力。孙宁等[4]通过对施工现场预制节段梁裂缝进行检测和统计,并对节段预制梁施工不利情况进行数值模拟,提出施工过程节段预制梁裂缝防治措施。陈昭晖等[5]通过研究组合箱梁的受力过程、破坏形态和裂缝开展情况，得到组合梁在弹性变形、裂缝开展和结构破坏受力阶段的受力特性。翁方文等[6]以泉州湾跨海大桥连续梁为背景,研究大跨度不对称连续梁的受力特征，得到主梁施工阶段应力状态，为安全施工和提高施工效率提供了指导。有关节段梁结构形式和受力特点的研究较多[7-13]，但针对变截面U箱组合梁施工过程中的力学特性和施工工艺的研究相对较少。基于上述背景，本文以天津市滨海新区轨道交通Z4线为例，针对U箱组合梁结构受力性能开展研究。

1 U箱组合梁的综合性能及优化设计

1.1 综合性能

U箱组合梁可显著改善结构负弯矩段受力性能，使结构高度降低，提升空间利用率。同时，组合梁结构抗扭、抗弯能力强，可在减小道床板厚度的同时无须配置横向预应力筋也能满足结构强度和应力要求。U形梁两侧边腹板均可提供隔声板和防撞墙等功能。全桥梁高不仅按曲线变化，且组合梁桥中跨及中跨附近截面设为开口截面，为轨道调高提供可能性的同时也大幅度降低了梁高，更好地满足了城市桥梁景观设计。上部U形梁腹板可将受力构件与附属构件完美地结合为一体，减少桥梁安装施工工序，便于桥梁后期维护。另外，U箱组合梁利用下部箱形梁腹板支承轨道及列车，从而降低轨道标高和桥梁整体高度，该结构也具备U形梁的优点，可在腹板内侧布置通信、电力等设备，将截面空间充分利用起来；不仅能降低车辆运行高度、减小噪声污染，也能将承载、运营系统等功能有机结合在一起，是一种新型结构形式。

1.2 优化设计

变截面U箱组合梁为上U下箱的组合截面，上部U形梁边腹板为斜腹板，中腹板为直腹板构造，下部箱形梁为单箱双室梁，U形梁中腹板与箱形梁中腹板对齐贯通设置。箱形梁的2道边腹板与2条线路中心线位置对齐。通过计算可知，中腹板承受截面少许的剪力，大部分剪力由箱形梁边腹板承受。U形梁3道腹板的布置方式有利于底板的横向受力，不仅能减小底板厚度，且无须在底板中配置横向预应力也能使其强度和应力指标满足要求，从而满足施工及受力条件。此外，主要受力截面的强度及应力指标也有所提高。其箱形梁边腹板采用斜腹板结构，使整个结构高强度、薄壁、轻型化、横向受力等性能更加突出。

2 变截面U箱组合节段梁结构受力性能研究

2.1 工程概况

2.1.1结构概况

滨海新区轨道交通Z4线北塘站—中心生态城站为(30+50+30)m 3跨连续梁桥，采用变截面U箱组合截面，其中，0～2号块为变截面U箱组合梁段，0号块为现浇块，1，2号块为预制块；3～6号块为预制U形梁段。桥梁全长110m，负弯矩由中墩附近的U形梁梁段底部箱形结构承受。本桥梁高按1.8次抛物线变化，中墩处梁高4.89m，跨中(边跨)处梁高2.49m；桥宽沿线路方向从26.37m线性变至20.20m；道板厚0.44m。梁边腹板为斜腹板，9号块处斜腹板厚度由0.26m过渡到0.4m，0～6号块处斜腹板厚0.4m，中腹板厚0.8m。桥梁结构布置如图1所示。

图1 桥梁结构布置(单位：cm)

2.1.2静力学计算参数

1)结构自重 主梁采用C55混凝土，重度按26kN/m3考虑。

2)双线二期恒荷载 包括承轨台式道床、强弱电支架及电缆、声屏障、接触网支柱基础、桥面系、紧急疏散平台栏杆及橡胶垫块等，取64kN/m。接触网支柱以集中力加载于1/4跨位置，一般柱底最大垂直荷载为10kN，垂直线路方向的最大弯矩为100kN·m，最大水平力为20kN；下锚柱底最大垂直荷载为20kN,垂直线路方向的最大弯矩为80kN·m，最大水平力为20kN。

3)预应力 对后张预应力钢束施加张拉控制应力，取1 265MPa；预应力钢筋与管道壁间的摩擦系数μ为0.17，管道偏差系数k为0.001 5，锚头变形、钢筋回缩6mm。

4)活荷载 列车竖向动力作用按GB/T 51234—2017《城市轨道交通桥梁设计规范》中第5.2.4条计算。其双线U形梁桥道板的动力系数宜取0.3。

5)附加力 ①制动力或牵引力 按列车竖向静活荷载的15%计算，当与离心力同时计算时，可按竖向静活荷载的10%计算。②温度荷载 整体升温至35℃、整体均匀降温;温度梯度升温则按U形梁顶升温8℃,箱顶升温14℃计算，温度梯度降温按升温的0.5倍考虑。

2.2 有限元模型建立与分析

2.2.1建模原则与假设

1)尽量反映结构的真实构造，如实反映结构细节和尺寸变化，如斜腹板厚度、腹板弧度等。

2)应严格按节段梁实际约束条件(如受约束位置、受约束区域大小、约束方向等)设置边界条件。

3)材料及结构满足线弹性假设。

4)对于节段梁结构的模拟，按整体计算，不考虑拼装及接头的刚度和普通钢筋对结构的影响。

5)考虑计算过程较复杂，模型纵向距离较大，为简化计算，仅考虑对节段梁影响较大的荷载因素，如自重、双线二期恒荷载等荷载。

U箱组合梁桥模型如图2所示。

图2 U箱组合梁桥模型

2.2.2数值模拟结果分析

U箱组合节段梁桥在主力作用下各截面最大挠度变形曲线如图3所示。由图3可知，节段梁桥的最大变形主要发生在中跨附近，值为15.25mm。截面变形向梁段两边逐渐衰减，在边跨附近变形较小且均匀，值为1.75～3.51mm。

图3 节段梁各截面最大挠度变形曲线

中跨及预制2号块截面变形如图4所示。对于U箱组合梁截面而言，变形主要集中在U形梁边腹板上，且变化较小，箱形结构部分的变形更小，值为0～1.69mm。节段梁挠度变形均满足节段梁竖向挠度的容许值L/1 500(L为桥梁跨度)。

图4 中跨及预制2号块截面变形(单位：mm)

梁体在自重、二期恒荷载、静活荷载等条件下主要承受压应力。边支座、中跨及预制2号块截面主应力如图5所示。由图5a可知，边支座处U形梁截面最大主应力位于梁顶位置，值为10.38MPa；最小主应力发生在梁道板底，值为-1.76MPa。由图5b可知，中跨处U形梁截面应力最大值分布于梁道板底部，值为3.63MPa。由图5c可知，预制2号块及其附近的U箱组合梁截面最大主应力主要分布于边腹板与梁道板连接处和梁顶位置，同时因U箱组合梁截面横向发生变形，导致截面些许部位应力不等，是由于计算模型中简化了预应力荷载施加方式，使U箱组合梁截面中U形梁与箱形梁连接处附近出现拉应力，但很快向周围混凝土衰减，符合应力变化规律。

图5 边支座、中跨及预制2号块截面主应力(单位：MPa)

剪切应力也是衡量梁桥结构性能的基本参数之一。普通箱形梁通常在支座处附近通过增加腹板厚度满足结构的抗剪切能力，变截面U箱组合梁则通过设置箱室腹板来承受结构大部分剪切应力。节段梁在自重、二期恒荷载、静活荷载等作用下，中跨及预制2号块截面剪切应力如图6所示。

图6 中跨及预制2号块截面剪切应力(单位：MPa)

由图6可知，中跨截面剪切应力为0.009～3.990MPa，该截面最大剪切应力发生在梁顶处，最小剪切应力发生在梁道板底处。U箱组合梁2号截面的剪切应力主要发生在腹板连接处，由此可知截面剪力主要由箱形结构的边腹板和中腹板承受，所承受的剪力为截面剪力的90%以上，这与常规箱形截面的剪力分布特性一致。同时，0号块梁顶附近截面剪切应力为1.33～5.98MPa，结果符合《城市轨道交通桥梁设计规范》中第7.2.3条梁桥截面剪应力规定。

3 施工过程受力分析

3.1 施工过程

天津轨道交通Z4线(30+50+30)m梁桥施工共分为14个阶段：①第1阶段 支模现浇0号块梁段；②第2阶段 采用起重机对称安装第1节段；③第3阶段 与0号块湿接20cm湿接缝；④第4阶段 张拉预应力钢束进行预应力张拉；⑤第5～9阶段 分别对称拼装第1～6节段，每安装一个节段，张拉对应的预应力束；⑥第10节段 激活9号块支架现浇节段梁；⑦第11阶段 现浇20cm湿接缝进行边跨合龙；⑧第12阶段 预应力束张拉；⑨第13阶段 现浇20cm湿接缝进行中跨合龙；⑩第14阶段 拆除临时支座，激活永久支座，施加二期荷载。在施工过程中桥梁结构的边界条件会因结构体系的变化而变化。边跨合龙前，桥梁结构为最大悬臂结构，合龙后则为悬臂简支结构，中跨合龙后，桥梁结构变成连续梁桥结构。边跨合龙前，临时固定6号块；中跨合龙后，解除临时固定，进行体系转换，边墩和中墩均转为永久固定支座。

3.2 建立施工过程有限元模型

利用有限元软件ANSYS建立三维精细化模型。梁单元按U箱组合梁截面变化情况进行模拟，U箱组合梁桥材料为C55混凝土，预应力钢束采用公径直径15.2mm、抗拉强度标准值为1 860MPa、弹性模量为195 000MPa的钢绞线。汽车荷载为城市-A级，接缝处的环氧树脂胶则通过建立微小单元并赋予其材料特性进行模拟。全桥有限元模型如图7所示。

图7 全桥有限元模型

3.3 施工阶段力学特性分析

根据天津轨道交通Z4线施工方案，选取边跨合龙和中跨合龙节段施工工况分析结构的内力和变形，施工过程中考虑的荷载主要包括结构自重、双线二期恒荷载、施工临时荷载、预应力等。

3.3.1变形分析

对节段梁最大悬臂阶段位移进行分析。根据 TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》，悬臂构件最大挠度限值为I/250(I为主梁跨径)。在最大悬臂阶段，节段梁悬臂端部的最大位移为15.9mm，符合要求。中跨合龙和边跨合龙完成后结构挠度曲线如图8所示。

由图8可知，边跨合龙后节段梁边跨处、中跨处最大挠度位于4，6号块，其值分别为9.7，14.70mm，中跨合龙施工后桥梁挠度下降，边跨最大挠度位于4号块，值为7.13mm，中跨部分引起向下的最大挠度位于6号块，值为12.84mm，均不超过L/2 000(L为桥梁跨径，边跨30m，中跨50m)。计算结果表明，合龙后结构体系转换对U箱组合梁桥结构的挠度有较大影响；合龙后结构竖向挠度较合龙前均有所减小，主要因为合龙后结构由悬臂状态变为中跨和边跨均存在约束的状态。中跨合龙和边跨合龙施工阶段，节段梁挠度变化趋势相似，其中，拼装边跨4号块至中跨6号块阶段的挠度值变化趋势基本一致。

3.3.2应力分析

中跨合龙和边跨合龙完成后梁体应力如图9所示。由图9可知，梁段边跨合龙后，其最大应力为 6.19MPa，最小应力为-4.22MPa，应力较小，强度满足要求。在最大悬臂阶段，节段梁桥最大应力为29.2MPa，满足施工阶段强度要求。梁段中跨合龙后，节段梁最大应力为6.06MPa，满足施工强度要求。

图9 中跨合龙和边跨合龙完成后梁体应力

4 结语

1)U箱组合梁具有强度高、质量小、线形优美、占地少、工期短及能在空间狭小的繁华地段快速建成通车等优势。将下部箱形梁腹板用来支承轨道及列车降低轨道高程，并在满足城市轨道交通桥梁净空构造的前提下使桥梁及车站的高度降低1.5～2m，结构外轮廓为流线型较美观，腹板内侧可根据需求布置各类通信、电力等设备，同时还能防止车辆脱轨。该梁形有效解决了跨平交路口连续梁形式与全线简支U形梁在景观形式上协调统一的问题。

2)对变截面U箱组合梁桥结构施加荷载组合工况，分析节段梁结构受力情况，结果显示该变截面U箱组合梁桥变形呈整体下挠，中跨局部梁道板面下凹变形，结构应变和腹板应力均小于规范容许值，满足设计规范要求。

3)以天津市滨海新区轨道交通Z4线为例进行施工阶段精细化建模分析，结构及主要构件应力、变形均满足规范要求。