桥梁
小半径、大跨度曲线刚构一连续组合箱梁设计研究
臧立秋
(沈阳铁道勘察设计院有限公司，沈阳
110013)
摘要：以长春轻轨三期平曲线半径300m，跨度为(60+92+60)m刚构一连续组合箱梁为例，针对小半径、大跨度曲
线桥的结构受力复杂，曲线梁的弯、剪、扭耦合效应，截面的抗扭承载能力要求高，设计施工难度大等特点进行了设
计研究，在轻轨荷载下，小半径、大跨度曲线梁采用刚构一连续组合体系箱梁合理可行，小半径、大跨度弯梁在轻轨建设中可以实现且值得推广。
关键词：曲线梁；刚构一连续组合箱梁；小半径；弯扭耦合；轻轨中图分类号：U448．21+6
文献标识码：A
文章编号：1004—2954(2012)03—0044—03
Research
on
theDesignofContinuousRigidFram
eBoxBeamBridgewithSmallRadiusCurveAndLongSpan
ZANGLi—qiu
(Shenyang
RailwaySurvey
andDesign
InstituteCo．，Ltd．，Shenyang1
10013，China)
Abstract：Thispapertakes
the(60+92+60)mcontinuous
rigidfram
eboxbeambridgeasan
example，
whichislocateon
a
horizontal
curve
withradiusof300minprojectstage3ofChangchunLightRail．The
study
ON
thedesignfor
this
kindofbridge
with
small
radius
curve
andlong
spanwerecarried
out，by
focusing
on
thecharacteristics
ofthis
kindsofbridge，such
as
thecom
plex
structure
stresses，coupling
effectiveofbendingmomentandshearingforceandtorsionmoment，highstandardsofanti-torsionability
ofsection，difficult
conditionsof
designandconstruction
and
SO
on．Thestudyresults
showedthatthe
usageofthiskindofbeambridgewithsmallradiuscurve
andlongspanundertheloadsofthelight
railis
reasonable，feasible，realizableandworthbeingpopularized．Keywords：curvebeam；continuous
rigid
frame
box
beam；small
radius；couplingofbendingand
torsion：lightrail
1
工程概况
桥主跨径92m且位于半径R=300m平曲线上，加之温度效应对钢一混组合结构影响大，计算后曲线内外侧长春市快速轨道交通轻轨三期工程东大桥站一东
应力相差很大，结构受力不合理，且后期钢结构的维护新路站区间在K4+330及K4+415处与既有惠工路互难度大、费用高；连续箱梁梁高相对钢一混组合梁及连通式立交桥交叉，交叉位置线路平曲线半径R=300续刚构稍高，造成结构自重大，不利于结构抗扭，支座m，交叉角度分别为22。及37。，长春地处寒冷地区，冬抗扭支撑需特殊设计，大吨位支座数量多，后期更换难夏温差大，地震烈度为Ⅶ度，轻轨采用(60+92+60)m度大；大跨度连续刚构桥虽在我国已有很多成功范例，刚构一连续组合箱梁桥跨越。但本桥位于小半径曲线上，桥墩较矮，桥梁处于严寒地2梁式方案比选
带，温度效应作用下，梁的受力类似于平面拱，经计算，结构受力不理想。基于以上问题，提出了刚构-连续组设计初期提出了钢一混组合梁、连续箱梁、连续刚合箱梁的结构形式，此种结构形式兼顾了连续刚构和构、刚构一连续组合箱梁4种梁式方案。钢一混组合梁连续梁的优点，提高了结构抗扭承载力，增强了桥梁的具有梁高小、结构轻、抗扭性能好的特点，但是由于该
抗震性能，温度作用下梁长方向可自由伸缩，降低了过大的温度附加应力，减少了大吨位支座的数量。本桥收稿日期：201l—09一15
刚构一连续组合箱梁具有以下特点：
作者简介：臧立秋(19812)，男，工程师，2004年毕业于兰州交通大学
土木工程专业，工学学士，E-mail：liqiu2000abc@163．com。
(1)曲线半径小、跨度大，梁的弯一扭耦合效应明
44
铁道标准设计RAILWAYSTA
NDARDDESIGN2012(3)
械立秋一小半径、大跨度曲线剐构一连续组合箱梁设计研究
桥果
显，受力具有空间性；
(2)地震作用。(2)曲线预应力钢束的摩阻损失比直线桥大，一3．2荷载组合(表1)
次张拉钢束过长，预应力损失严重；
表1荷载组台
(3)相对于等截面粱，变截面梁趋向于使中墩外侧荷载组合
参与组合项目支座反力减小，内侧支座反力增大，“外梁超载，内粱卸主要组合
恒载+轻轨载”w的效应会有所减轻，如果跨度较大、曲线半径较小附加组合恒载+轻轨+升、降温度会出现内侧支座反力大于外侧支座反力的现象；
特殊组合
恒载+轻轨+地震力
(4)预应力钢束张拉时产生的径向力崩力相对于截面剪切中心的扭矩值不容忽视，对混凝土有崩裂的4桥梁结构模型及计算分析危险。
4．1桥粱结构
3荷载及荷载组合
(60+92+60)m刚构一连续组合箱梁，梁体为单箱单室结构，桥面宽度9．3m，底板宽度5．1m。一侧中3．1
荷载
墩为刚构结构，一侧中墩为连续梁结构。刚构支点处3．1．1主力荷载
梁高5m，连续粱支点处梁高5．5m，边跨支点处及跨(1)恒载
中梁高均为2．5m。顶板厚0．35m，底板由0．35m渐恒载包括结构自重、二期恒载、预应力、混凝土收变至支点处的1m，腹板宽度由0．6Ill渐变至0．8
m，
缩徐变及沉降。
刚构侧设双薄壁墩，墩高6．5m，宽5．1m，厚为1．4m，(2)活荷载
薄壁墩净距1．2m．双薄壁墩与梁体固结，连续梁侧中①设计活载：轻轨荷载如图1所示，重车轴重
支点及边支点设双活动支座。120
kN，空车轴重80
kN。
4．2模型建立
置§
蚤五
j蚤王量
蜀置
王置墨j
王至
五j
本梁体支架现浇施工，计算采用Midas／Civil有限虽垦基墨虽垦墨墨垦墨墨虽虽墨墨虽墨墨
元程序建立桥梁三维空间模型，整体坐标轴定义为：顺lli』lUli』il』』lli』
桥向为x轴，横桥向为y轴，竖直高度方向为z轴。主梁、墩柱采用梁单元模拟．桩基及承台采用等效截面圈1轻轨荷载圈示(单位：m)
单元模拟．边界条件采用弹簧模拟，墩梁固结处、墩承台固结处均采用刚性连接，支架采用等刚度弹簧模拟，②竖向动力作用，该列车竖向活载等于列车竖向连续侧墩顶支座采用局部坐标轴模拟，支座按切线布静活载乘以动力系数(1+／t)并考虑0．8折减系数”1，
置。为降低一次张拉超长钢束的应力损失，分2个施其值为：边跨为1+0．8／z=1．094；中跨为l+0．札
工阶段，中跨及1／4边跨段为第一施工阶段，剩余两边=1．0784。
跨为第二施工阶段，长钢束在分段处采用钢柬连接器③离心力：其值为列车静活载乘以离心力率连接，一次张拉钢束长度最长为122m，梁体分阶段施C”…，作用位置为轨顶以上车辆重心处，该力会对弯梁产生附加扭矩。
工模型见图2、图3。
C=』127一R
式中，”为行车速度；R为曲线半径。
④无缝线路作用力：本联梁范围轨道为短轨区，无
缝线路轨道作用力不计。。圈2(60+92+60)(二。么二
m第
圈3(60+92+60)m
3．1．2附加荷载
一施工阶段计算分析横型
成桥阶段计算分析横盈
(1)体系温差：成桥温度10℃，体系温差按整体
升温+13℃，整体降温一27℃考虑设计；
4．3计算分析．
(2)温度梯度：铺装之前阶段考虑5．5℃升温，
4．3．1计算分析内窖
2．75
qc降温；
主梁采用C55混凝土，按全预应力构件设计。总(3)混凝土收缩、徐变；
体分析计算主要包括施工阶段应力验算，成桥并持荷(4)沉降：边墩取值一1．0cm，主墩取值一1．0
cm。
3年后的主梁应力、强度、刚度及下部结构验算，横梁3．1．3特殊荷载．
验算。此外还要考虑风载、地震作用下的墩柱验算，以(1)列车脱轨荷载；
及支座、伸缩缝、桥面板等构件验算。
铁道标准设计RAILWAYST
ANDARDDESIGN
2012(3)
臧立秋一小半径、大跨度曲线刚构一连续组合箱梁设计研究
桥梁
4．3．2主要分析结果
(1)施工阶段梁体顶缘最大压应力为10．5MPa，
梁体底缘最大压应力为12．9MPa，无拉应力产生，结
果满足规范要求。
(2)运营阶段主力+附加力作用下梁体最大主压应力为13．6MPa，满足规范要求，静活载作用下跨中最大挠度为3．9cm，梁体竖向刚度为L／2359，满足规范要求。
(3)经MidasPSC设计，运营阶段设计混凝土压应
力，混凝土剪应力，抗裂荷载下混凝土斜截面的主应力，正截面抗裂验算，承载能力极限状态强度验算，预应力钢束的最大拉应力均满足规范要求。
5施工设计研究
本桥为小半径、大跨度预应力曲线梁，在自重及外荷载作用下会同时产生弯矩和扭矩，并相互影响。预应力钢束的空间布置及列车的离心力作用也会对扭转中心产生扭矩，巨大的扭矩使得梁体曲线内外侧应力及变形存在一定的差异，双支座的反力也不同于一般的直线桥，桥梁时刻处于“弯一剪一扭”耦合作用状态，本桥针对曲线梁的复杂受力状态，设计采取如下措施。
(1)梁高及腹板厚度的设计本着合理调整梁体的弯扭刚度比‘4刮为原则。弯扭刚度比k=EI／GI．，对于弯桥，抗弯刚度E，在满足抗弯的前提下应尽量增大其截面的抗扭刚度G，．。刚构一连续组合箱梁降低了梁高，减小了梁的纵向抗弯刚度，适当增加了箱梁腹板及顶底板厚度，提高了梁的抗扭刚度。
(2)本桥采取分段现浇的方法，使钢束张拉长度缩短以减小预应力损失，分段处钢束采用钢束连接器
连接，曲线长钢束摩阻损失计算时曲线包角扩。采用
空间包角值¨。卢=(p。2+p。2)“5，本桥较相应直线桥预应力损失增加约8％。
(3)对梁体普通钢筋进行计算，加强了纵向钢筋及箍筋的配置，并按公路钢筋混凝土规范对箱梁截面及纵向钢筋、箍筋进行了复算，满足要求。
(4)扭转效应对支座的布置方式提出了很高的要求，本桥采用一墩刚构其余连续的结构体系，解决了抗扭支撑的问题，并对刚构位置横梁加强了钢筋设置。以防扭矩过大导致横梁开裂，连续墩顶采用球形支座，能充分适应曲梁的纵、横向自由转动和移动的可能性。
(5)增加梁跨横隔梁的设置，除支点位置设置横梁外，中跨增设3道横隔梁，边跨各增设1道横隔梁，提高了梁体整体抗扭刚度及稳定性。
(6)调整顶底板预应力钢束的布置，增加顶板钢束及减少底板钢束可平衡部分扭矩。
(7)张拉腹板钢束的次序应遵循以下原则，竖向
46
位置上先中间后上下，横向位置上先外侧后内侧。
(8)设置预应力钢束防崩钢筋，在后张预应力混凝土连续梁桥中，由于平面曲率半径的影响，具有水平曲率的纵向预应力钢束在张拉过程中产生对腹板混凝土的径向压力会有使腹板崩裂的危险，合理设置一定数量横隔板的同时，需沿预应力束设置防崩钢筋归。1…，孑L道中单位长度预应力筋束的最大水平径向压力简化计算为：q=p／R，式中，q为径向力，P为端部控制张拉力。经计算，沿预应力管道设置西12
mm@30
cm的防
崩钢筋满足受力要求，设置方式如图4所示。
相采腮—吸预应力管道箱梁横向
N1
箱梁底板分布筋Nl焊接底板顶面
730二[乙—～
曲线内倾0
Q匹
clnh
——j[二堡重夏至垂歹——、压蒌夏i忑垂壁画
3
(a)腹板内防崩筋布置
(b)底板内防崩筋布置
图4防崩钢筋示意
(9)抗扭钢筋的设置需做特殊处理，梁底板上下层横向筋、顶板上下层横向筋及腹板箍筋要相互搭接，从而构成1个封闭的抗扭矩形，提高抗扭承载力。
6
结语
分析结果表明，在轻轨荷载作用下，小半径、大跨度曲线梁采用刚构一连续组合体系箱梁合理可行。建议同类曲线桥的设计，结构计算应进行空间受力分析，采用抗扭刚度大的箱形截面并合理选取截面尺寸，合理布置预应力钢束，加强横隔梁的设置，提高纵向普通钢筋及箍筋配筋率，按计算设置腹板及底板防崩钢筋，特殊设置抗扭箍筋，确保桥梁整体受力均衡，应力储备充足。参考文献：
[1]周勇，余泽新，张明武．小半径曲线梁桥的设计[J]．中外公路，
2007，4(2)：—91．
[2]
北京城建设计研究总院．GB50517—2003地铁设计规范[S]．北京：中国计划出版社．2003．
[3]铁道第三勘察设计院．TBl0002．1—2005铁路桥涵设计基本规范[S]．北京：中国铁道出版社，2005．
[4]范立础．桥梁工程[M]．北京：人民交通出版社，2003．[5]邵容光．混凝土弯梁桥[M]．北京：人民交通出版社，1996．[6]姚玲森．曲线梁[M]．北京：人民交通出版社，19．
[7]
中铁工程设计咨询集团有限公司．TBl0002．3—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．
[8]刘志文．空间曲线预应力束摩阻损失参数[J]．西安公路交通大学
学报．2001，7(3)：42—44．
[9]
校飞燕，邢亮，张河锦．小半径曲线梁桥设计要点[J]．城市道桥与防洪．2010(11)：39～40．
[10]向中富，卞明智，梁甜甜，朱慈祥．曲梁在预应力径向分力作用下
的受力分析[J]．重庆交通大学学报，2008，12(6)：1009—1013．
铁道标准设计RAILWAY
STANDARD
DESIGN2012(3)
