董素東

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

在鐵路橋梁設計中，若簡支梁無法跨越障礙時，通常采用預應力混凝土連續(xù)梁方案跨越，連續(xù)梁常采用單箱單室箱形截面結構形式。對于連續(xù)梁的計算，鑒于空間分析過程中建模復雜、數(shù)據(jù)量龐大、不便于修改，故設計人員常常采用平面桿系有限元法對結構進行計算分析，縱向通常采用全預應力理論設計。由于橋梁本身為空間結構，當采用了平面桿系計算分析后，所得到的計算結果只是橋梁縱向的分析計算結果，作用在箱梁上的荷載有恒載和活載，恒載多數(shù)是對稱布置的，一般只在結構上產(chǎn)生縱向彎曲。當橋梁為多線橋時，活載可能是對稱作用，但多數(shù)情況是非對稱的偏心荷載，偏載對結構產(chǎn)生的空間效應必須予以重視，故還要對橋梁橫向進行單獨的分析計算，以保證橋梁橫向的剛度、強度和穩(wěn)定性。本文以工程實例為研究對象，對其橫向受力分析計算，通過對結果的比較，得出結論，并對結構采取相關措施。

1 工程實例

青藏線西格段增建二線響河村湟水河大橋主橋采用(64+112+64)m預應力混凝土連續(xù)梁，該線設計時速為160 km/h，該連續(xù)梁橋為雙線橋，線間距為4.33 m。梁體為單箱單室變高度直腹板箱形截面，主墩墩頂處梁高為8.8 m，中跨跨中及邊跨直線段梁高為5.0 m，梁底曲線為二次拋物線。箱梁頂寬11.2 m，單側懸臂長2.25 m，箱梁底寬6.7 m。腹板厚度由箱梁根部的90 cm漸變至跨中附近梁段的50 cm;底板在箱梁根部厚100 cm，漸變至跨中及邊跨直線段厚48 cm;頂板最薄處厚40 cm，箱梁在支點及跨中處設有橫隔梁。箱梁縱斷面見圖1，箱梁跨中附近(不在橫隔梁處)的橫斷面見圖2。

圖1 箱梁縱斷面(單位:cm)

2 連續(xù)梁橫向計算方法

預應力混凝土連續(xù)箱梁是個空間結構，本設計分析時將箱梁計算的空間問題轉化為平面問題，在連續(xù)梁縱向計算通過后，需計算橫向能否通過。橫向計算方法:將箱梁橫斷面模擬為橫向環(huán)框結構，在縱向取最不利斷面中的一延米對其進行受力分析。離中支點越近，箱梁截面越大，剛度越大，故箱梁截面最小的是連續(xù)梁跨中附近截面(此截面不是跨中處的橫隔梁截面)，即圖2所示截面作為計算截面。箱梁橫截面可作為支承在箱梁腹板中心線下緣的框架結構，然后對橫向環(huán)框進行有限元分析。環(huán)框截面劃分為42個截面和42個單元，結構計算模型見圖3。

圖2 箱梁橫斷面(單位:cm)

圖3 橫向環(huán)框計算模型(單位:cm)

橫向環(huán)框采用西南交大編制的《橋梁結構分析系統(tǒng)BSAS》程序按照不同荷載組合進行配筋和計算分析，并根據(jù)規(guī)范對其進行驗算。

3 橫向環(huán)框計算和結果分析

3.1 計算荷載

1)恒載:包括結構自重、橫向預加力。

2)二期恒載:縱向1延 m二期恒載為145 kN，折算到橋面橫向為13 kN/m。

3)活載:中—活載，橫向分析時的活載用特種輪重250 kN作用于軌枕底面，并在軌枕兩端各以1∶1坡線向下擴散，其中道砟厚為65 cm，荷載圖式見圖4。計算時考慮動力系數(shù)的影響。

圖4 活載橫向分布模式

4)溫度力:結構整體升溫按25℃考慮，降溫按－25℃考慮，非線性溫度變化按頂板升溫5℃考慮。橫向環(huán)框溫差按照日照模式及寒潮模式兩種情況計算，荷載組合時取其最不利情況組合，其溫差計算模式見圖5。

圖5 溫差計算模式

5)混凝土收縮徐變影響力:根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》，按老化理論計算混凝土收縮徐變。該連續(xù)梁采用C55混凝土，其中徐變系數(shù)終極值為2.0(混凝土齡期取為7 d);徐變增長速率為0.005 50;收縮速度系數(shù)為0.006 25;收縮終極系數(shù)為0.000 16。環(huán)境條件按野外一般條件計算，相對濕度取70%。

6)列車脫軌力:當考慮列車脫軌荷載時，列車脫軌荷載可不計動力系數(shù)，對于本橋雙線橋，只考慮一線脫軌荷載，且另一線不作用列車活載。根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》，列車脫軌后有兩種模式，對于本橋橫向分析，規(guī)范中的列車脫軌荷載2最為不利，即列車脫軌后已離開軌道范圍，但仍停留在橋面上。該荷載為一條平行于線路中線的線荷載，作用于擋砟墻內(nèi)側，離線路中心線的最大距離為2.0 m。荷載長度20 m，其值為80 kN/m。列車脫軌荷載見圖6。

圖6 列車脫軌荷載

3.2 荷載組合

根據(jù)列車行駛情況，可以模擬為三種:工況1為單線正常行車;工況2為雙線正常行車;工況3為單線行車且脫軌。荷載圖式見圖7～圖9。三種工況下的荷載組合分別有兩種:①主力組合:恒載+二期恒載+混凝土收縮徐變+活載;②主力+附加力組合:恒載+二期恒載+混凝土收縮徐變+活載+溫度力。

圖7 工況1

圖8 工況2

圖9 工況3

3.3 箱梁橫向配筋計算

橫向環(huán)框頂板頂層和底層均設計為φ16 mm鋼筋，按照10 cm間距布置，且在頂板底層設有橫向預應力，采用5-φ15.2 mm鋼絞線，按照50 cm間距布置，按規(guī)范及相關規(guī)定試算，分別對環(huán)框三種工況下的施工及運營階段頂板上下緣混凝土正應力檢算;運營階段頂板正截面抗裂及抗彎強度檢算;頂板斜截面抗剪、抗彎強度檢算等。三種工況下環(huán)框頂板運營階段各截面檢算結果見表1—表3。

3.4 結果分析及采取措施

從表1—表3中可以看出，計算結果滿足規(guī)范要求，鋼束及鋼筋配置合理。從計算結果中得知:最受控制的檢算項是下緣正應力和安全系數(shù)，控制的荷載工況是工況3，在工況3的荷載作用下，橫向環(huán)框的相關計算結果見圖10～圖14。

表1 運營階段環(huán)框頂板截面驗算控制值(工況1)

表2 運營階段環(huán)框頂板截面驗算控制值(工況2)

表3 運營階段環(huán)框頂板截面驗算控制值(工況3)

圖10 主力時環(huán)框彎矩包絡圖(單位:kN·m)

圖11 運營階段頂板上緣截面應力圖(單位:MPa)

圖12 運營階段頂板下緣截面應力圖(單位:MPa)

圖13 主力時環(huán)框剪力包絡圖(單位:kN)

圖14 運營階段環(huán)框結構恒載變形圖(單位:mm)

橫向鋼束的詳細情況:結構頂板橫向預應力鋼束采用5-φ15.2 mm鋼絞線，鋼絞線采用符合 GB/T5224標準的高強度、低松馳、抗拉強度標準值 fpk=1 860 MPa的鋼絞線，鋼束彈性模量為 Ep=1.95×105MPa，采用BM型錨具錨固，內(nèi)徑為90 mm×19 mm的金屬波紋管成孔。鋼絞線采用單端交錯張拉方式張拉，為了避免與縱向鋼束的干擾，橫向鋼束在腹板附近設有曲線，在錨固端和張拉端處，鋼束位于翼緣板的中心位置，其布置見圖15。

4 結論

通過對鐵路連續(xù)箱梁橫向環(huán)框的分析、建模和計算，得出控制性計算結果，從而對結構采取可靠措施，保證了箱梁結構橫向剛度、強度和穩(wěn)定性，使雙線鐵路連續(xù)箱梁橫向的設計措施安全可靠，合理可行。本文以工程實例為研究對象并得出結果，可為我國今后類似工程的建設提供經(jīng)驗，對同類橋梁設計具有借鑒及指導意義。

圖15 橫向環(huán)框頂板橫向預應力布置(單位:cm)

［1］ 中華人民共和國鐵道部．TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］ 中華人民共和國鐵道部．TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］ 范立礎．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［4］ 范立礎．預應力混凝土連續(xù)梁橋［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［5］ 郭金瓊，房貞政，鄭振．箱形梁設計理論［M］．北京:人民交通出版社，2008．

［6］ 項海帆．高等橋梁結構理論［M］．北京:人民交通出版社，2001．