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摘要：板肋式连续槽形梁是一种梁、板、肋板組合式的开口截面，在竖向荷载作用下共同承担弯剪扭耦合效应，受力极其复杂。结合单线铁路板肋式单线连续槽形梁的受力分析，研究板肋式连续槽形梁的力学特性并指导设计和施工。
关键词：连续梁；槽形梁；板肋
1 引言
沪通铁路上跨既有沪杭联络线，夹角约25°，跨越点沪通铁路轨底标高16.23m，既有沪杭联络线轨顶标高为6.53m，要求净高为7.96m。为满足桥下净空及限界的要求，主桥上部结构采用（40+64+40）m连续槽形梁结构，轨底至梁底高度1.25m。
预应力混凝土槽形梁是一种下承式桥梁结构形式，当列车荷载作用在桥面上时，荷载通过道床板传给腹板，腹板承受从底板传来的荷载，荷载除引起腹板的弯曲之外，还会引起主梁的扭转。预应力混凝土槽形梁工况复杂、施工繁琐，目前国内对槽形梁的研究和应用都较少，更缺乏具体的经验和理论公式，下表1为国内、外典型槽形梁应用状况。
2 主要技术参数
（1）铁路活载：中—活载
（2）设计时速：160km/h
（3）平面曲线半径：1500m
（4）桥上最大纵坡：4‰
（5）地震动峰加速度值：0.1g
3 截面形式
槽形梁一般由两侧腹板与底板构成，其两侧腹板截面形式一般可分为板式与箱形两种，见下图1、图2。
方案一采用箱形腹板截面，截面抗扭刚度较大，纵向预应力钢束均锚固于箱内，避免梁外开槽或设锯齿块，外观效果好；缺点是操作空间小，施工难度大，且梁底横向较宽，增加了桥墩圬工。
方案二采用T形腹板截面，腹板及底板均为板式结构，便于施工，且梁底横向较窄，减小桥墩工程量；缺点是截面抗扭刚度小，且多数纵向预应力钢束需梁外设置齿块锚固，美观性较差。
结合上述两种方案，提出方案三，采用板肋式腹板截面（见图3、图4），即板式腹板与两侧加劲肋板相结合，共同承担截面扭矩，增强了截面抗扭性能，且截面简洁，构造简单，施工较为方便；另外，避车台、接触网立柱基础、预应力索锚固齿块等设施均可放置在加劲肋板内侧，不需要另外增加截面横向宽度，可节省截面横向宽度，减轻截面自重。
4 结构计算
4.1单梁分析
纵向计算分别采用BSAS程序及MIDAS CIVIL程序建立平面、空间梁单元模型，按全预应力构件进行设计。计算荷载包括结构自重、二期恒载、列车活载、桥面温度梯度和不均匀沉降等。全桥共分为三个施工节段，五个梁段，如图5，按第第一节段、第二节段、第三节段采用支架分段现浇施工。
由于槽形梁底板折减宽度没有规范可供参考，底板有效宽度按高速铁路规范中箱梁折减方法和按铁路T梁折减方法分别计算，即中支点折减宽度分别为0.563、1.0包络考虑，跨中截面折减宽度分别为0.928、1.0。
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=1860MPa，公称直径15.2mm，公称截面140mm2；s竖向预应力采用夹片锚锚固体系，预应力管道采用金属波纹管。竖向预应力采用φ25预应力用螺纹钢筋，型号为PSB830，产品符合GB/T20065-2006标准。
主梁纵向主要计算结果见表2，最大静活载挠度为6.1mm，约为跨度的1/10492；在静活载作用下，梁端转角为0.12‰rad；三年及十年徐变最大值分别为-4.1mm及-5.3mm，各项指标均满足规范要求。
4.2板梁分析
采用空间有限元MIDAS CIVIL程序对结构按板梁单元进行建模分析，即底板采用板单元模拟，两侧腹板采用梁单元模拟，梁、板单元采用刚臂连接，二恒、列车活载直接加载在底板上，计算目的为分析腹板的剪扭耦合效应，以确保腹板箍筋设置能够同时满足抗剪和抗扭的强度要求。
4.3实体分析
槽形梁底板不仅横向传力给腹板，而且纵向参与主梁整体受弯，由于本梁底板较宽，剪力滞后效应明显，不同纵向位置剪力滞效应程度不同；变形上，底板直接承受活载，底板以边主梁间距为跨径横向挠曲，槽形梁挠度应为主梁纵弯挠度与桥面板横弯挠度之和；底板在竖向荷载作用下受弯腹板发生扭转内倾。
平面模型中剪力滞通过规范有效宽度考虑，截面应力均为规范有效宽度折减下数值结果，是否适用于本梁还需空间模型考证。
综上，建立MIDAS FEA实体模型，实体模型按实际施工方案模拟成桥工况，预应力按实际位置建立，考虑槽形梁的空间效应。
（1）剪力滞分析
剪力滞影响可以通过剪力滞系数或者翼缘有效宽度两种方式评判。我国铁路规范为便于杆系单元采用初等梁理论计算翼缘应力均采用有效宽度方式考虑箱梁剪力滞影响。
根据正应力分布可计算出中支点截面横向宽度折减系数为0.808，剪力滞效应明显，跨中截面横向宽度折减系数为0.963，剪力滞影响较弱，即单梁计算时底板有效宽度按高速铁路规范中箱梁折减方法和按铁路T梁折减方法包络计算可满足要求。
（2）实体模型验证
分别对比实体模型和单梁模型，分别比较主梁支反力、控制截面应力及变形，计算结果对比见表3。
（3）计算结论
主梁在自重、二恒、收缩徐变、列车活载、离心力、摇摆力和风力作用下，腹板和底板没有出现拉应力，仅肋板出现1.0MPa的拉应力；腹板、底板及肋板压应力基本上小于14MPa，仅腹板上下缘边角因应力集中压应力达到16.5 MPa；且腹板整体出现由扭转产生明显的横向效应，即出现明显的空间效应。
5 小结
连续槽形梁在横向是一个开口U型结构，空间效应明显，不仅需做平面分析，还必须做空间分析。板肋式腹板相对于板式腹板，抗扭刚度大，相对于箱形腹板，横向宽度较小，截面简洁，构造简单，施工较为方便。
参考文献：
[1]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.
[2] 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.
[3]胡匡璋，江新元，陆光闾. 槽型梁[M]. 北京：中国铁道出版社，1987.
[4]王承礼，徐名枢.铁路桥梁[M].北京：中国铁道出版社，1983.
[5]姚玲森.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008
[6]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，2001
铁四院科研课题：
小半径板肋式单线槽形连续刚构设计技术研究（2015K16）
关键词：连续梁；槽形梁；板肋
1 引言
沪通铁路上跨既有沪杭联络线，夹角约25°，跨越点沪通铁路轨底标高16.23m，既有沪杭联络线轨顶标高为6.53m，要求净高为7.96m。为满足桥下净空及限界的要求，主桥上部结构采用（40+64+40）m连续槽形梁结构，轨底至梁底高度1.25m。
预应力混凝土槽形梁是一种下承式桥梁结构形式，当列车荷载作用在桥面上时，荷载通过道床板传给腹板，腹板承受从底板传来的荷载，荷载除引起腹板的弯曲之外，还会引起主梁的扭转。预应力混凝土槽形梁工况复杂、施工繁琐，目前国内对槽形梁的研究和应用都较少，更缺乏具体的经验和理论公式，下表1为国内、外典型槽形梁应用状况。
2 主要技术参数
（1）铁路活载：中—活载
（2）设计时速：160km/h
（3）平面曲线半径：1500m
（4）桥上最大纵坡：4‰
（5）地震动峰加速度值：0.1g
3 截面形式
槽形梁一般由两侧腹板与底板构成，其两侧腹板截面形式一般可分为板式与箱形两种，见下图1、图2。
方案一采用箱形腹板截面，截面抗扭刚度较大，纵向预应力钢束均锚固于箱内，避免梁外开槽或设锯齿块，外观效果好；缺点是操作空间小，施工难度大，且梁底横向较宽，增加了桥墩圬工。
方案二采用T形腹板截面，腹板及底板均为板式结构，便于施工，且梁底横向较窄，减小桥墩工程量；缺点是截面抗扭刚度小，且多数纵向预应力钢束需梁外设置齿块锚固，美观性较差。
结合上述两种方案，提出方案三，采用板肋式腹板截面（见图3、图4），即板式腹板与两侧加劲肋板相结合，共同承担截面扭矩，增强了截面抗扭性能，且截面简洁，构造简单，施工较为方便；另外，避车台、接触网立柱基础、预应力索锚固齿块等设施均可放置在加劲肋板内侧，不需要另外增加截面横向宽度，可节省截面横向宽度，减轻截面自重。
4 结构计算
4.1单梁分析
纵向计算分别采用BSAS程序及MIDAS CIVIL程序建立平面、空间梁单元模型，按全预应力构件进行设计。计算荷载包括结构自重、二期恒载、列车活载、桥面温度梯度和不均匀沉降等。全桥共分为三个施工节段，五个梁段，如图5，按第第一节段、第二节段、第三节段采用支架分段现浇施工。
由于槽形梁底板折减宽度没有规范可供参考，底板有效宽度按高速铁路规范中箱梁折减方法和按铁路T梁折减方法分别计算，即中支点折减宽度分别为0.563、1.0包络考虑，跨中截面折减宽度分别为0.928、1.0。
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=1860MPa，公称直径15.2mm，公称截面140mm2；s竖向预应力采用夹片锚锚固体系，预应力管道采用金属波纹管。竖向预应力采用φ25预应力用螺纹钢筋，型号为PSB830，产品符合GB/T20065-2006标准。
主梁纵向主要计算结果见表2，最大静活载挠度为6.1mm，约为跨度的1/10492；在静活载作用下，梁端转角为0.12‰rad；三年及十年徐变最大值分别为-4.1mm及-5.3mm，各项指标均满足规范要求。
4.2板梁分析
采用空间有限元MIDAS CIVIL程序对结构按板梁单元进行建模分析，即底板采用板单元模拟，两侧腹板采用梁单元模拟，梁、板单元采用刚臂连接，二恒、列车活载直接加载在底板上，计算目的为分析腹板的剪扭耦合效应，以确保腹板箍筋设置能够同时满足抗剪和抗扭的强度要求。
4.3实体分析
槽形梁底板不仅横向传力给腹板，而且纵向参与主梁整体受弯，由于本梁底板较宽，剪力滞后效应明显，不同纵向位置剪力滞效应程度不同；变形上，底板直接承受活载，底板以边主梁间距为跨径横向挠曲，槽形梁挠度应为主梁纵弯挠度与桥面板横弯挠度之和；底板在竖向荷载作用下受弯腹板发生扭转内倾。
平面模型中剪力滞通过规范有效宽度考虑，截面应力均为规范有效宽度折减下数值结果，是否适用于本梁还需空间模型考证。
综上，建立MIDAS FEA实体模型，实体模型按实际施工方案模拟成桥工况，预应力按实际位置建立，考虑槽形梁的空间效应。
（1）剪力滞分析
剪力滞影响可以通过剪力滞系数或者翼缘有效宽度两种方式评判。我国铁路规范为便于杆系单元采用初等梁理论计算翼缘应力均采用有效宽度方式考虑箱梁剪力滞影响。
根据正应力分布可计算出中支点截面横向宽度折减系数为0.808，剪力滞效应明显，跨中截面横向宽度折减系数为0.963，剪力滞影响较弱，即单梁计算时底板有效宽度按高速铁路规范中箱梁折减方法和按铁路T梁折减方法包络计算可满足要求。
（2）实体模型验证
分别对比实体模型和单梁模型，分别比较主梁支反力、控制截面应力及变形，计算结果对比见表3。
（3）计算结论
主梁在自重、二恒、收缩徐变、列车活载、离心力、摇摆力和风力作用下，腹板和底板没有出现拉应力，仅肋板出现1.0MPa的拉应力；腹板、底板及肋板压应力基本上小于14MPa，仅腹板上下缘边角因应力集中压应力达到16.5 MPa；且腹板整体出现由扭转产生明显的横向效应，即出现明显的空间效应。
5 小结
连续槽形梁在横向是一个开口U型结构，空间效应明显，不仅需做平面分析，还必须做空间分析。板肋式腹板相对于板式腹板，抗扭刚度大，相对于箱形腹板，横向宽度较小，截面简洁，构造简单，施工较为方便。
参考文献：
[1]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.
[2] 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.
[3]胡匡璋，江新元，陆光闾. 槽型梁[M]. 北京：中国铁道出版社，1987.
[4]王承礼，徐名枢.铁路桥梁[M].北京：中国铁道出版社，1983.
[5]姚玲森.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008
[6]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，2001
铁四院科研课题：
小半径板肋式单线槽形连续刚构设计技术研究（2015K16）