槽形梁在城市橋梁中的應用

任秋云

江蘇蘇邑設計集團有限公司，江蘇 南京 210000

1 槽形梁概述

槽形梁是一種下承式受力結構，斷面形式為U形，主要由主梁、行車道板、橫梁組成，是一種梁、板組合的空間結構，從材料上可分為預應力混凝土槽形梁和鋼結構槽形梁。鋼結構槽形梁更適用于人行景觀橋，相較而言預應力混凝土槽形梁的用途更為廣泛。預應力混凝土槽形梁主要有以下優點：橋面結構下沉，明顯降低建筑高度；主梁有一定的隔聲效果；主梁可與防撞護欄、欄桿等組合設計。

混凝土槽形梁是由兩側主梁和行車道板組成的整體受彎構件，活載直接作用于行車道板，再由行車道板將荷載橫向傳至兩側的縱向主梁，最終由主梁抵抗外荷載及自重引起的彎矩，把整體受彎簡化為主梁單梁受彎，主梁腹板也會受到法向應力及剪力、扭矩等共同作用。同時，在荷載作用下，行車道板的受力與混凝土箱梁的橋面板受力相似，在橫橋向和縱橋向均受彎，且與主梁共同抵抗外荷載。槽形梁的縱向設計與一般梁橋相似，主要是應力、撓度、裂縫的控制；橫向設計同樣要控制這幾個因素，但是其作用機理比較復雜。

2 工程概況

某城市公園入口處新建一座橋梁，河道上口線寬20m，最高水位為7.5m，橋梁兩端接路標高為9m，根據公園整體景觀效果及洪評要求，橋梁需一跨過河，為了滿足跨河橋梁橋下凈空的規范要求及泄洪要求，橋梁可實施的結構高度僅余1.0m，常規上承式梁橋無法實現，且考慮橋梁跨徑較小，下承式拱橋和桁架橋也并不適宜，因此采用預應力混凝土槽形梁方案。

3 橋梁整體設計

設計橋梁跨徑為一跨23m，上部結構形式為單跨簡支預應力混凝土槽形梁。橋長27.4m，橋梁結構寬度為9.4m，橋面凈寬為7m。擬定槽形梁主梁高2.1m，主梁腹板寬0.5m，上翼緣寬1.2m，槽形梁底板寬8.6m，行車道板中心厚度為0.4m，橋面設置雙向1.5%的橫坡，底面水平，在支點處主梁腹板加厚至0.65m，行車道板中心厚度加厚至0.6m。橋面鋪裝采用10cm瀝青混凝土+10cm C50混凝土現澆層，支座采用板式橡膠支座。

4 槽形梁受力分析

4.1 主要材料及技術標準

槽形梁采用C50混凝土，鋼筋采用HPB300鋼筋和HRB400鋼筋，每片主梁縱向預應力采用5束12ΦS15.20低松弛高強預應力鋼絞線。荷載等級取城-B級；施工方法采用滿堂支架現澆。橋面鋪裝采用10cm C50混凝土現澆層+10cm瀝青混凝土面層，計算得橋面鋪裝荷載為34.3kN/m；溫度荷載按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）（以下簡稱《通用規范》）計算。簡支梁沖擊系數μ也按《通用規范》計算，μ=0.259。

4.2 模型建立

由于槽形梁在公路及城市橋梁設計中應用較少，鐵路槽形梁應用較多，在橋梁設計計算時可參考其計算原理，將兩側的主梁等代為具有下翼緣的L形梁，其下翼緣取主梁有效寬度范圍內的行車道板，考慮縱向彎矩全部由主梁承受；行車道板按簡支梁或兩端固結梁計算，其計算跨徑取主梁中線之距。通過模擬等代，利用已經較為成熟的混凝土梁的設計計算原理，為槽形梁的結構建模提供了思路。

有限元模型采用Midas Civil軟件建立梁格模型，槽形梁為空間受力單元，故采用梁格模型比簡單的桿系模型更精確。該案例中，根據槽形梁斷面設計，將槽形梁劃分為兩片主梁，兩片主梁之間采用虛擬橫梁連接。為了與自重荷載吻合，橫梁不計自重?？紤]左右梁構造、荷載對稱，文章僅以左梁為例進行分析。

橋梁計算時假定材料在荷載作用下處于小變形和線彈性階段，且各種荷載對結構的作用符合線性疊加原理，鋪裝層不參與結構受力，僅作為二期恒載考慮。

4.3 縱向計算

持久狀況承載能力極限狀態正截面承載力驗算包絡圖如圖1所示。持久狀況正常使用極限狀態抗裂驗算如表1、表2所示。

表1 頻遇效應組合抗裂驗算表 單位：MPa

表2 準永久效應組合抗裂驗算表 單位：MPa

圖1 持久狀況正截面抗彎驗算包絡圖

極限狀態撓度驗算如表3所示。持久狀況混凝土壓應力驗算如表4所示。施工階段混凝土正應力如表5所示。由上述計算結果可知，主梁的強度驗算、抗裂驗算等主要控制指標均滿足規范要求。

表3 極限狀態撓度驗算表 單位：mm

表4 持久狀況混凝土壓應力驗算表 單位：MPa

表5 施工階段混凝土正應力表 單位：MPa

4.4 橫向計算結果

槽形梁橫向分析采用Midas Civil對行車道板進行計算。根據槽形梁行車道板的結構與受力特點，取跨中單位長度的行車道板進行計算，與預應力混凝土現澆箱梁的橋面板計算方法類似。根據設計截面尺寸及鋼筋布置，計算出橋面板跨中處抗力為374.2kN·m，最大彎矩和最大裂縫均出現在行車道板跨中處，最大彎矩為322.7kN·m，表明正截面抗彎滿足要求，最大裂縫寬度為0.119mm≤0.2mm，裂縫寬度滿足要求。

5 結論與展望

通過結構計算，槽形梁受力滿足要求，但計算過程中尚存在以下問題：（1）槽形梁溫度荷載的確定。在混凝土槽形梁中可能溫度荷載影響較小，但在鋼橋中溫度荷載影響較大，溫度荷載的準確模擬對于槽形梁應力結果有著重大的影響。（2）汽車荷載下槽形梁的動力性能研究。目前沒有明確規范指出如何計算槽形梁結構汽車沖擊系數，這與活載模擬是否準確有著重要的關系。（3）腹板與底板交接處受力復雜，難以準確模擬。

在設計中，在進行中小跨徑的橋梁結構選型時，上部結構一般采用裝配式簡支梁、現澆連續箱梁、鋼箱梁等常規梁橋結構，這些都是上承式結構，結構高度較高。在跨徑確定的情況下，橋梁梁高可降低的空間非常有限，且近年來洪水問題頻發，進行橋梁設計時應盡量減少水中墩，常規通過減小跨徑降低梁高的方法也較難實現，在滿足橋下凈空要求的前提下，更迫切地需要設計者們研究如何降低橋梁建筑高度，以便選取更合適的方案。

國外槽形梁結構的探索運用較早，可追溯至二十世紀五六十年代，已有約70年歷史，國內從改革開放后開始大量建設鐵路，槽形梁也被運用到我國的軌道交通建設中，距今也有40年歷史。因此，我國軌道槽形梁設計的理論依據也較為充分，但其在公路領域及城市建設中還缺乏應用實例。其主要原因是城市橋梁或公路橋梁路幅較寬，行車軌跡也不固定，槽形梁只有在較窄路幅且行車軌跡固定的橋梁中運用才能展現其優勢，且槽形梁的行車道板與主梁是整體的受力結構，兩者共同承受荷載作用，是一種空間的受力體系，具有開口薄壁式構件和開口框架的特點。同時，這兩種結構形式存在抗扭性能差、受力復雜的缺陷，目前僅用現有的梁理論進行結構計算還無法解決這些問題，因此要將槽形梁運用到公路、橋梁中還需要進行更多的試驗和深入的研究，從而形成強有力的理論體系作為支撐。