本文摘要：摘要：东胜鄂尔多斯机场城际铁路乌兰木伦河特大桥跨阳光瀑布工程设计方案拟采用预应力混凝土连续梁结构，截面形式为槽形梁，腹板镂空处理，结构顶面设置横向连接。桥梁结构根据结构力学知识与当地民族特色进行概念设计，根据受力拟定截面及结构尺寸，基于ABA
摘要：东胜—鄂尔多斯机场城际铁路乌兰木伦河特大桥跨阳光瀑布工程设计方案拟采用预应力混凝土连续梁结构，截面形式为槽形梁，腹板镂空处理，结构顶面设置横向连接。桥梁结构根据结构力学知识与当地民族特色进行概念设计，根据受力拟定截面及结构尺寸，基于ABAQUS建立精细化实体单元模型，分析结构整体受力情况，研究腹板镂空对结构受力影响，连接肋尺寸、支座中心距和施工顺序对顶板连接肋受力影响等。研究结果表明：纵向应力分布均匀连续、计算结果满足规范要求;顶板连接肋中支点处受力较大，主要由恒载产生，调整施工工序可降低其应力值;腹板镂空尺寸较大，应力集中明显，对截面整体纵向应力分布连续性影响较小。
关键词：铁路桥;槽形梁;连续梁;预应力混凝土;镂空腹板;结构设计
引言槽形梁是下承式梁，一般采用预应力混凝土结构，截面由底板、腹板组成，为开口结构。主要特点是梁底板作为主要支撑轨道和列车的结构，底板和腹板共同受力[1]。半穿式镂空腹板槽形梁一种新颖的结构型式。除了具备槽形梁的特点外，结构顶部横向部分连接，整体结构为穿越式，顶部未完全封闭，又称为半穿式。为增加结构整体刚度和抗扭性能，结构底为箱梁结构，车辆走行于箱梁结构之上。
腹板采用镂空处理，有别于普通箱梁的通风孔，腹板镂空面积较大，其造型可根据当地特色进行设计，代表一定的寓意。镂空腹板槽形梁目前应用到铁路的工程只有西班牙高速铁路上跨Ebro河桥。本文依托东胜—鄂尔多斯机场城际铁路乌兰木伦河特大桥跨阳光瀑布工程进行研究。阳光瀑布工程位于乌兰木伦河南岸，为鄂尔多斯市重点打造的景观工程之一，位于柳沟河桥南侧，距离柳沟河桥约18m。
主要技术标准如下。
(1)铁路类别：城际铁路。(2)正线数目：双线。(3)线间距：4.2m。(4)设计行车速度：160km/h。(5)轨道结构：有砟轨道。(6)设计活载：ZC活载(0.6UIC)。
1结构概念设计
结构概念设计从纵立面、横截面形式和景观效果三方面展开。
1.1纵向设计
本桥跨越跨乌兰木伦河阳光瀑布，综合周边环境及景观效果，拟采用跨度(50+80+50)m梁桥方案，根据力学知识梁(垂直于轴线受力的细长杆件)纵向是以受弯为主的结构，矩形截面抗弯能力与截面高度的三次方成正比，即距离中心轴越远的材料其抗弯贡献越大，靠近截面形心镂空对截面抗弯能力影响不大，但可减轻自重荷载。
桁架是实腹板的拓扑优化结构，优化后仅保留受力较大构件，优化掉中性轴附近对刚度贡献小的材料，其上下弦杆多为受拉杆，且应力集度大，故桁架宜选用高强度钢材，考虑经济性和后期运营维护等因素， 本桥选用混凝土材料，而混凝土无法满足桁架结构受力要求，于是在实腹板与桁架之间折中设计了镂空腹板。采用镂空腹板在减轻自重的同时减少预应力筋数量和支座规格。腹板根据需要可现浇或预制。镂空位置、大小和形状综合考虑受力、景观、预应力钢束的布置等多种因素5]。
1.2横向设计
本桥为双线城际铁路桥，线间距4.2m，横向跨度小，结构所受横向力远小于纵向力，故横截面设计应以纵向抗弯为主，根据上述讨论，宜采用空心截面，常用混凝土空心截面桥式有箱形和槽形，箱形梁顶、底板抗弯、腹板抗剪，槽形梁没有顶板，属下承式结构，底板与腹板协同抵抗弯剪，两者均能满足纵向受力要求，槽形梁视觉效果通透，更具景观性[6]。
从横向受力分析，截面以扭、剪为主，槽形截面由于缺少顶板，在扭矩作用下，截面无法协同变形，加之腹板壁较薄，易产生畸变，剪力滞明显[8]，导致底板、腹板连接处局部受力过大。横截面设计以纵向抗弯为主，横向抗扭为辅，兼顾景观，综合考虑后选定半穿式槽形梁，这一新型结构与传统槽形梁不同的是，结构断面顶部有部分横向连接，未完全封闭，保持景观通透效果同时增强结构抗扭性能和整体稳定性[9]。
1.3景观设计
辽阔的草原是蒙古民族纵马征战和自由放牧的大舞台，蒙古包是游牧民族的居舍，它伴随着蒙古民族走过了漫长的年代。蒙古人经过长久的实践，把毡包的各个部件用精巧的工艺制作出来，使它有着独特的美感。远看，它像草原上一颗洁白的珍珠。近看，毡包上的花纹更加清晰美丽。蒙古族的吉祥图案，寄托了人们对鸿福、长寿、吉祥、喜庆等美好的愿望。故主推方案将毡包图案融入到梁体结构设计中，把美好的祝愿通过桥梁带给鄂尔多斯人民。
2结构设计
2.1主梁构造
跨越阳光瀑布工程采用(50+80+50)预应力混凝土连续梁结构，梁全长为190m，计算跨度为(49.25+80+49.25)，边支座中心距离梁端0.75m，梁体主体结构之外设5m长变高段，使得桥梁整体线条流畅，动感性强。变高段与顶板用R=5m圆弧过渡，与底板夹角为48°。
梁体截面等高设置，边支点处底板局部加高。梁体两侧腹板上设蒙古包样镂空，纵向间距5m，沿梁体中心线对称布置，全梁共设镂空32个。镂空距底板2.5m，镂空处纵向长6m，高1.5m，顶部圆弧半径为3.497m。顶部横向连接肋每隔5m设置道，宽度为0.7m，中支点处局部加宽为3m。全梁设个支座，每个支点处对应两个支座，边支点支座横向中心距为6m，中支点支座横向中心距为5.4m。
结构截面高10，桥面以上梁高8.15，桥面以下箱梁梁高1.85，梁体腹板下部最小宽度为12.355。跨中段腹板厚0.45，中支点两侧各9m范围内，加宽为0.75m。内侧腹板与顶板用R=2m的圆弧倒角，外侧腹板与顶板采用R=1.2m圆弧过渡，顶板厚度为0.55m。在梁端腹板沿斜向切角并用半径R=5圆弧过渡。梁体下部箱梁顶板厚0.25，底板厚0.32m，在中支点两侧各范围内底板厚度为0.5。
箱梁腹板厚度与梁体上部腹板厚度保持一致。底板和腹板相接处设置300mm300mm的倒角，顶板和腹板相接处设置200mm200mm的倒角，中支点和边支点处设置横隔板。主梁结构采用C50混凝土，梁部除纵向预应力筋外，在支点横梁处设置横向预应力筋，在实腹板处设置竖向预应力筋。纵向及横向预应力筋采用高强钢绞线，竖向预应力采用Φ32mm精轧螺纹粗钢筋。
2.2预应力体系及布置
钢绞线采用符合GB/T52242014《预应力混凝土用钢绞线》技术标准的高强度低松弛Φ15.20mm钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量E=1.9510MPa[10]。
2.3桥墩及基础主桥两中墩采用花瓶式桥墩，墩顶纵向3.4m，墩底纵向3m，墩顶宽14.6m，墩底宽7m。主桥两侧边墩形式与简支梁桥墩形式保持一致。主桥中墩基础采用16根Φ1.5m摩擦桩，边墩基础采用10根Φ1.25m摩擦桩。
3结构受力分析
利用上述模型计算结构在自重、二期恒载、预应力、活载、恒活荷载作用下结构刚度及受力情况，主要计算结果如表所示。活载作用下，最大静活载位移为9.53mm，最大梁端转角为0.10‰，均满足规范要求。运营阶段，中跨跨中下缘最小压应力为1.89M，中支点下缘最大压应力为9.81M，上缘出现4.49M的拉应力。结构构造尺寸和预应力布置较为合理，能够满足结构安全要求。
考虑到腹板及顶板有镂空设计，截面形状突变易造成应力扰动，产生应力集中，应力过大导致结构损伤与破坏风险增大。腹板与顶板受力情况是结构研究重点关注的项目[17]，分别显示其主拉应力及主压应力分布情况。可以看到最大拉应力已达20.51MPa，发生在中支点处腹板镂空上角点，此处承受较大负弯矩，腹板上缘受拉，镂空角点应力集度剧增，为防止混凝土开裂，此处除通过预应力抵消拉应力外，还应进行倒角等构造处理，配置防裂钢筋[1。
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4结语
通过对镂空腹板槽形梁的分析研究，得到以下结论和建议。
(1)结构受力连续，整体性稳定性较好，在恒载和活载作用下，结构位移和刚度能够满足受力要求。截面上、下缘应力分布连续，满足设计规范要求，结构本身特性能够满足实际工程需要。(2)顶板连接肋最大拉应力出现在中支点顶，其大小受自重和二期恒载控制，活载产生的应力占比较小。可以研究调整施工次序来控制自重作用下的应力值。(3)镂空尺寸较大，对截面局部削弱明显，但截面应力变化并不明显，且受力连续。对于整体结构，镂空腹板影响较小，可研究镂空位置对结构的影响，重点研究中性轴位置对截面受力影响的变化。(4)由于结构采用等高设计，结构高度受限界控制，导致结构自重占比较大，自重和二期恒载作用下产生的应力和位移是活载的倍左右。可考虑采用钢结构、钢混组合结构的可能性，减小结构自重产生的应力。同时研究探讨在此高度条件下合理跨度。
参考文献：
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[2]MANTEROLAJavierMartineZcutillasAntonioTheEbroRiverBridge.ANewConcreteBridgeforRailways[C]//IABSESymposiumReportAntwerp,Belgium2003:2829.
[3]谢亿民,杨晓英,G.P.STEVEN,等.渐进结构优化法的基本理论及应用[J].工程力学,1999(6):7081
[4]高文俊吕西林拓扑优化在结构工程中的应用[J].结构工程师,2020,36(6):232241.
[5]蒋赟.腹板大尺度圆形开孔梁的受力性能分析[D].长沙:湖南大学,2012.
[6]曹菲.城市景观桥梁创新设计研究[D].南京:东南大学,2015.
[7]潘湘文.基于能量变分法的连续槽型梁桥剪力滞效应分析[J].结构工程师,2012,28(1):4549.
作者：张付宾，宋元印
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