謝敏杰

(中鐵咨詢鄭州設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450001)

1 工程概況

林鄧線焦作市界至月山段一級(jí)公路下穿新月鐵路下行線5#框架地道橋位于小尚(K67+656)～月山(K76+709)區(qū)間，交叉點(diǎn)鐵路下行線里程K72+029.853，公路里程K-9-920.222，公路與鐵路斜交，交角為41.7°。橋位處鐵路為單股道，無(wú)縫線路、鋼筋混凝土Ⅲ型枕，60型鋼軌，電氣化鐵路。擬建立交處公路和鐵路均位于直線段。鐵路北側(cè)路基半寬4.2 m，南側(cè)路基半寬4.2 m，漿砌片石護(hù)坡，路基高于地面約2.5m。鐵路線路西側(cè)有一條沿鐵路方向的灌溉溝(50 cm×50 cm)，鐵路南側(cè)為水運(yùn)村，附近均為農(nóng)田。橋位處南側(cè)142.5m處為既有1-0.75m灌溉圓涵，北側(cè)137.4 m處為既有1-1.0m灌溉箱涵(涵200)，新月下行線K72+031處有一既有1-1.0m灌溉圓涵(涵198)與公路中線沖突，需拆除。

由于林鄧線K46+683.026～K51+563.026與焦作市人民路重合，人民路斷面尺寸與林鄧線斷面尺寸相比出入較大(林鄧線路幅設(shè)計(jì)寬度24.5m，人民路路幅設(shè)計(jì)寬度76 m，其中:中央綠化帶寬12 m，兩側(cè)快車道各寬15.5m，兩側(cè)分隔帶各寬4.5m，兩側(cè)慢車道各寬4.5m，兩側(cè)人行道各寬4 m，兩側(cè)綠化帶各寬3.5m，為了滿足使用要求，焦作市人民政府要求該段路線必須按照人民路標(biāo)準(zhǔn)修建。

2 總體布置與主體結(jié)構(gòu)形式

(1)總體布置。公路和新月鐵路下行線交角為41.7°，斜交達(dá)到48.3°，為改善斜交扭轉(zhuǎn)，提高鐵路建筑物的使用壽命，保證鐵路后期運(yùn)營(yíng)安全，箱體與鐵路線路按正交設(shè)計(jì)，箱橋內(nèi)公路斷面以外的部分用混凝土墻封閉。箱體橫鐵路長(zhǎng)度與既有路基等寬，在東側(cè)預(yù)留寬2.3 m的機(jī)械化養(yǎng)路通道，東側(cè)設(shè)置通信、信號(hào)電纜槽，西側(cè)設(shè)置通信、信號(hào)和電力電纜槽，各纜分槽設(shè)置，兩側(cè)設(shè)置擋碴護(hù)欄，橫鐵路共長(zhǎng)12.35m，橋上線路兩側(cè)設(shè)置擋碴塊。由于規(guī)劃路面較寬，根據(jù)已定的道路中線、交叉角度、地形現(xiàn)狀等，本設(shè)計(jì)采用2 ×(8.5m+8.5m+8.5m)鋼筋混凝土框構(gòu)形式。

(2)主體結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)總體設(shè)計(jì)單位提供的地下雨水、污水管道設(shè)計(jì)標(biāo)高，為保證管道從框構(gòu)非機(jī)動(dòng)車道內(nèi)穿過(guò)，結(jié)構(gòu)高度10.2 m，結(jié)構(gòu)凈高7.7 m，頂板厚1.2 m ，底板厚1.3 m，中墻厚1.1 m(正尺寸)，邊墻厚1.2 m。其中一幅路的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式如圖1所示。

3 基本原理及模型建立

大斜交角度地道橋在荷載作用下產(chǎn)生彎、剪、扭耦合，使得這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計(jì)算趨于復(fù)雜。地道橋結(jié)構(gòu)為典型的空間板殼結(jié)構(gòu)，平面計(jì)算已不能滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)的需要，采用三維空間板殼單元利用Sap2000有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析。

荷載包括恒載和活載，恒載主要考慮結(jié)構(gòu)自重和土壓力，活載主要考慮列車活載、公路活載、列車活載所產(chǎn)生的土壓力和人行道荷載。

結(jié)構(gòu)自重在Sap2000中是自動(dòng)計(jì)算的，只需輸入結(jié)構(gòu)密度和各個(gè)構(gòu)件尺寸。

土對(duì)側(cè)墻的作用換算為梯形荷載作為主動(dòng)土壓力(考慮列車活載引起的附加效應(yīng))直接施加于側(cè)墻單元上。qv=kγ(h+h')，qv為距填土表面高度h處的土體側(cè)向土壓力，k為土體側(cè)向土壓力系數(shù)，h'為等效的土層厚度(列車活載對(duì)側(cè)墻的作用)，由式h'=qh/γ計(jì)算，qk為列車活載對(duì)頂板的壓力，γ為土的重度。

列車活載對(duì)頂板豎向壓力［1］為qh=165/(2.5+h)，其中，qh為豎向壓力;h為軌底以下的深度。并根據(jù)頂板上填土厚度的不同考慮沖擊系數(shù)(1+μ)，(1+μ)=1+6α/(30+L)，α=4(1－h(huán))≤2，L為橋跨長(zhǎng)度。

公路車輛活載和人行道荷載按公路一級(jí)加載［2］。

土對(duì)底板的作用等效為等剛度的土彈簧，由式KV=kVbh計(jì)算，其中，KV為彈簧壓縮剛度，kV為土的基床系數(shù)，b和h分別為彈簧的水平和垂直向計(jì)算間距。

在Sap2000中，板殼對(duì)象按照受力特點(diǎn)可以分為三類:膜單元、板單元及殼單元。膜單元只具有平面內(nèi)的剛度，承受膜力;板單元的行為與膜單元相反，只具有平面外的剛度，承受彎曲力;殼單元的力學(xué)行為是膜單元與板單元之和，是真正意義上的殼單元。本文采用殼單元。

由于鋼筋混凝土堵墻是頂進(jìn)就位后后期澆注的，建模時(shí)不考慮堵墻的作用。全橋共劃分殼單元2 470個(gè)，幾何規(guī)則處采用四邊形殼單元，變化處采用三角形殼單元，地道橋計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 地道橋計(jì)算模型

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 頂板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

頂板順鐵路方向彎矩(My)云圖、1-1剖面彎矩圖、2-2剖面彎矩圖分別如圖3、圖4、圖5所示，頂板橫鐵路方向彎矩(Mx)云圖、3-3剖面彎矩圖、4-4剖面彎矩圖分別如圖6、圖7、圖8 所示。

從云圖和剖面彎矩圖可以看出，此地道橋利用Sap2000有限元軟件采用三維空間板殼單元進(jìn)行計(jì)算結(jié)果較為合理，既具有足夠的精度，又能反映框架地道橋的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為。頂板順鐵路方向彎矩My:(1-1)截面和(2-2)截面有很大不同，最大彎矩位于板中心處，向兩自由邊逐漸減小，且兩截面?zhèn)葔斬?fù)彎矩在板中心處彎矩曲線比自由邊變化平緩。頂板橫鐵路方向彎矩Mx:(3-3)截面和(4-4)截面同樣有很大不同，最大彎矩位于自由邊(4-4)截面內(nèi)，而不是在板的中心(3-3)截面內(nèi)，且最大彎矩的位置由跨中向鈍角部位偏移，具有明顯的鈍角效應(yīng)。

4.2 底板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖3 頂板順鐵路方向彎矩云圖

圖4 1-1剖面彎矩圖

圖5 2-2剖面彎矩圖

圖6 頂板橫鐵路方向彎矩云圖

圖7 3-3剖面彎矩圖

圖8 4-4剖面彎矩圖

底板順鐵路方向彎矩(My)云圖、1-1剖面彎矩圖、2-2剖面彎矩圖分別如圖9、圖10、圖11所示;頂板橫鐵路方向彎矩(Mx)云圖、3-3剖面彎矩圖、4-4剖面彎矩圖分別如圖12、圖13、圖14所示。

圖9 底板順鐵路方向彎矩云圖

圖10 1-1剖面彎矩圖

圖11 2-2剖面彎矩圖

圖12 底板橫鐵路方向彎矩云圖

底板的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與頂板具有相似的規(guī)律，且底板的最大彎矩和地基土的性質(zhì)有關(guān)。

圖13 3-3剖面彎矩圖

圖14 4-4剖面彎矩圖

5 結(jié)論

大斜交角度框架地道橋通常按斜交正做設(shè)計(jì)。按以上荷載取值、邊界條件和單元?jiǎng)澐?，利用Sap2000有限元軟件采用三維空間板殼單元能較好的模擬框架地道橋的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為;頂?shù)装屙樿F路方向彎矩由板中心向兩自由邊逐漸減小，最大彎矩位于板中心處，且板中心的彎矩曲線較自由邊彎矩曲線變化平緩。頂?shù)装鍣M鐵路方向彎矩由兩自由邊向板中心逐漸減小，最大彎矩位于板的自由邊，且最大彎矩的位置由跨中向鈍角部位偏移，具有明顯的鈍角效應(yīng)。

［1］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［2］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.