萬 明

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司, 天津 300142)

1 概述

在鐵路建設(shè)中,由于既有道路和地下管線的復(fù)雜性,在相交平面上和新建鐵路發(fā)生沖突的問題也隨之增多。和大跨結(jié)構(gòu)相比,框架墩結(jié)構(gòu)以其布置靈活、工期短、經(jīng)濟性好的特點得到了廣泛的應(yīng)用。本文將著重介紹剛度在框架墩結(jié)構(gòu)計算中的影響。

2 分析要點

框架墩結(jié)構(gòu)尺寸的確定,除了考慮建筑限界的限制,還應(yīng)重點考慮橫梁和墩柱的剛度匹配關(guān)系?？偟膩碚f,希望橫梁的剛度要大(荷載引起的變形小),墩柱的剛度要小(由于不設(shè)系梁,墩柱對溫度力和收縮徐變荷載非常敏感)。

現(xiàn)以津秦客運專線某一跨度為10.9 m的鋼筋混凝土框架墩為例，說明某種荷載組合對橫梁剛度的敏感程度,如表1所示。

由表1可知,橫梁的剛度對彎矩的影響比較大。

框架墩由于本身剛度相對較大且為超靜定結(jié)構(gòu),很小的不均勻沉降往往會使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力顯著增加。因此,為了控制沉降,工程上采用沉降量較小的柱樁或摩擦樁。仍以上面例子來說明某種荷載組合對不均勻沉降的敏感程度,如表2所示。

表1 橫梁剛度影響下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

表2 不均勻沉降影響下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

大跨度框架墩對基礎(chǔ)的約束模擬非常敏感,模擬約束較強時,橫梁設(shè)計不安全,同時使立柱和基礎(chǔ)的設(shè)計較為困難；模擬約束較實際弱時,使橫梁設(shè)計困難,而立柱和基礎(chǔ)設(shè)計不安全[1]。實際計算中為了克服此種影響,往往利用經(jīng)過迭代計算的一倍基礎(chǔ)剛度控制橫梁的變形,兩倍或三倍基礎(chǔ)剛度控制墩柱的配筋。表3分別比較了基礎(chǔ)在固結(jié)、實際計算剛度、三倍計算剛度時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。

由表3可知,橫梁的跨中彎矩隨著基礎(chǔ)剛度的增加而減小,而對于墩柱來說，彎矩隨著基礎(chǔ)剛度的增加而增加。圖1～圖3分別表現(xiàn)了隨著基礎(chǔ)剛度的變化,結(jié)構(gòu)最大正負彎矩的位置變化情況。

表3 基礎(chǔ)剛度影響下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

圖1 一倍基礎(chǔ)剛度

圖2 三倍基礎(chǔ)剛度

圖3 基礎(chǔ)固結(jié)

在計算中準確的模擬樁基礎(chǔ)的計算剛度有兩種方法。第一種為等代土彈簧法,其基本方法是將樁一地基體系按土層厚度離散成一個理想化的參數(shù)系統(tǒng),用彈簧和阻尼器模擬土介質(zhì)的動力性質(zhì),形成一個地下部分的多質(zhì)點體系,然后和上部結(jié)構(gòu)近質(zhì)點體系聯(lián)合建立動力微分方程組進行求解[2]。第二種方法則根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)一個基礎(chǔ)剛度,然后利用單位力法重新求解出一個新的基礎(chǔ)剛度,考察其是否與計算模型吻合。如不吻合,則利用新計算出來的基礎(chǔ)剛度再次進行計算,直到滿意為止。

3 結(jié)論

框架墩結(jié)構(gòu)橫梁和墩柱的剛度對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算有非常大的影響,在計算中需合理調(diào)整橫梁和墩柱的剛度比,根據(jù)多次計算可知,鐵路橋梁一般比例控制在1∶1.5到1∶2之間比較合適。

因基礎(chǔ)的剛度對結(jié)構(gòu)計算的影響比較大,所以應(yīng)準確的模擬。在計算中先假設(shè)一個剛度,然后反復(fù)計算迭代,直到求解出較準確剛度。

[1]田萬俊.預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計研究[J].鐵道標準設(shè)計,2003(8)

[2]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟大學(xué)出版社,1997