趙　勇(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京　100055)Force Analysis of the Railway Skew Frame BridgeZHAO Yong

下穿鐵路斜交框架橋受力分析

趙勇(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京100055)Force Analysis of the Railway Skew Frame BridgeZHAO Yong

摘要鐵路斜交框架立交橋是鐵路跨越公路時(shí)采用的一種橋梁形式。目前，斜橋計(jì)算理論尚未形成完整的理論體系，這給鐵路斜交框架立交橋的設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)一定的困難。采用有限元軟件對(duì)下穿鐵路框架橋進(jìn)行空間建模分析，得出鐵路斜交框架橋的空間受力特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)鐵路斜交框架橋鋼筋布置提出幾點(diǎn)要求，并將相關(guān)結(jié)論要求運(yùn)用于工程實(shí)例中。

關(guān)鍵詞框架橋斜交板單元受力分析

1工程概況

工程所處位置為河南省濮陽(yáng)市郊區(qū)，濮陽(yáng)西車(chē)站范圍內(nèi)。該區(qū)域地形平坦，既有湯臺(tái)線(xiàn)北側(cè)為耕地，南側(cè)為已建成的晉豫魯鐵路通道。幸福路下穿既有鐵路采用(7+2×12.5+7)m頂進(jìn)框架橋。頂進(jìn)前需對(duì)既有線(xiàn)進(jìn)行注漿加固并施工防護(hù)樁、抗移樁、后背樁，頂進(jìn)時(shí)對(duì)既有線(xiàn)采用縱橫梁體系進(jìn)行加固。

本次設(shè)計(jì)道路橫斷面為3.5 m(人行道)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)行道)+1.85 m(綠化帶)+12.5 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+1.0 m(隔離帶)+12.5 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+1.85 m(綠化帶)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)行道)+3.5 m(人行道)，調(diào)整后的道路寬度43.7 m。設(shè)計(jì)按照機(jī)動(dòng)車(chē)道凈高不小于5 m，非機(jī)動(dòng)車(chē)道凈高不小于3.5 m考慮。非機(jī)動(dòng)車(chē)道南北雙向均設(shè)置3.5 m限高架。

2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析

框架橋平面布置如圖1。

由圖1知：該橋斜角角度為24°，《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中僅指出斜交板橋斜度小于或等于15°時(shí)，可按正交板計(jì)算[2]，然而該橋斜交角度大于15°。相關(guān)資料中指出，對(duì)于>15°，特別是>30°的情況，不能直接簡(jiǎn)化為平面框架計(jì)算，因?yàn)閷?shí)體結(jié)構(gòu)中空間效應(yīng)而產(chǎn)生的內(nèi)力增大，例如在斜板的鈍角部位及板的跨中等位置，其內(nèi)力都比平面框架計(jì)算結(jié)果要大很多。因此，需建立斜交框架橋的空間模型，對(duì)荷載和約束在空間上進(jìn)行簡(jiǎn)化，研究結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)行為特性。

3建模分析

3.1　荷載

(1)恒載

主要包括：結(jié)構(gòu)自重，鋼軌、枕梁、道砟等重量。

(2)活載

列車(chē)：中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(Z=1.2)；汽車(chē)：城-A級(jí)；活載土壓力。

(3)附加力

混凝土收縮徐變、溫度變化的作用等。

3.2　結(jié)構(gòu)模型

工程結(jié)構(gòu)框架橫斷面如圖2，兩側(cè)小箱體為人行及非機(jī)動(dòng)車(chē)道，中間大箱體為行車(chē)道，兩箱體之間設(shè)置沉降縫。

以中間行車(chē)道箱體為研究對(duì)象，利用有限元軟件MIDAS Civil2012建模分析，研究其空間受力特性。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3。

模型中結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬，板的面內(nèi)外厚度均采用實(shí)際厚度，底板豎向與地基之間的約束采用節(jié)點(diǎn)彈性支承，約束Z方向位移，在底板兩側(cè)約束端施加水平方向較小剛度的彈性支承。

3.3　荷載組合

(1)恒載+列車(chē)+兩側(cè)活載土壓力；

(2)恒載+兩側(cè)活載土壓力；

(3)恒載+列車(chē)+單側(cè)活載土壓力；

(4)恒載+單側(cè)活載土壓力；

(5)恒載+汽車(chē)+兩側(cè)活載土壓力；

(6)恒載+列車(chē)+汽車(chē)+兩側(cè)活載土壓力。

3.4　結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算分析得，框架橋在最不利荷載組合下位移、內(nèi)力及最大主應(yīng)力如圖4、圖5、圖6。

最不利荷載組合下結(jié)構(gòu)最大豎向位移發(fā)生在頂板銳角自由邊跨中附近，最大豎向位移為4.86 mm。圖6中凸箭頭表示最大正彎矩。凹箭頭表示最大負(fù)彎矩，箭頭的長(zhǎng)短代表彎矩值的大小。最大正負(fù)彎矩分別在頂板跨中和中腹板頂部位置，大小分別為610.7 kN·m、412.5 kN·m，頂?shù)装迮c腹板連接處內(nèi)力也比較大，頂?shù)装逯鲝澗胤较蚺c自由邊的夾角從自由邊到中部逐漸增大，到中部時(shí)基本與支承軸線(xiàn)垂直。

由圖7、圖8、圖9知：頂板上層受拉，下層受壓，底板由于地基支承作用，受力狀況與之相反；頂、底板的鈍角區(qū)域存在較大應(yīng)力。

經(jīng)以上分析可知，該斜交框架橋的受力特點(diǎn)如下：

①結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在頂板銳角自由邊上，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意該處撓度的控制。

②結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的不均勻主要在發(fā)生在頂?shù)装迮c腹板連接位置。

③頂板彎矩在1/8～1/4板跨位置較小，最大正彎矩發(fā)生在跨中區(qū)域，最大彎矩值的連線(xiàn)與板跨中心線(xiàn)存在一定的夾角，趨近于板鈍角位置的連線(xiàn)方向。

④頂?shù)装遄畲髴?yīng)力均發(fā)生在靠近鈍角位置。

斜交框架橋區(qū)別于正交框架橋，因其承受彎矩和扭矩的共同作用，設(shè)計(jì)中應(yīng)取其最不利荷載情況進(jìn)行分析，根據(jù)跨中及支承邊的內(nèi)力大小、主彎矩方向及板的幾何特征來(lái)確定配筋方案。

通過(guò)上述分析，并聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于該橋，板在跨中及中腹板頂部截面位置為配筋設(shè)計(jì)控制截面，主筋采用通長(zhǎng)布置，沿主彎矩方向布置最為合理，分布鋼筋與之垂直。但由于該橋斜交角度并不大，主彎矩方向與板跨中心線(xiàn)夾角很小，結(jié)合實(shí)際情況，可以按主筋平行于板自由邊，分布鋼筋平行于支承軸線(xiàn)布置。頂?shù)装迮c腹板連接處內(nèi)力較大，故在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采用倒角過(guò)度，且拐角處加強(qiáng)配筋；鈍角區(qū)域應(yīng)設(shè)置局部加強(qiáng)鋼筋。

4結(jié)論

斜交框架橋與一般正交框架橋不同，應(yīng)根據(jù)具體的斜交角度進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，不能直接簡(jiǎn)單簡(jiǎn)化為平面框架結(jié)構(gòu)；斜交框架橋的鋼筋布置需經(jīng)計(jì)算分析后確定，應(yīng)著重于板在跨中、腹板連接處及鈍角區(qū)域受力情況，還要注意頂?shù)装迮浣罘绞降牟煌?，這樣才能針對(duì)不同的實(shí)際工程情況采用合理的配筋方式。

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《鐵道勘察》編輯部

2015年

中圖分類(lèi)號(hào)：U24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)06-0091-03

作者簡(jiǎn)介：趙勇(1983—)，男，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-10-30