景斌

(錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧錦州 121000)

鐵路斜交剛架橋設(shè)計(jì)與分析

景斌

(錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧錦州 121000)

通過斜交剛架橋的設(shè)計(jì),介紹斜交剛架橋的設(shè)計(jì)原則和技術(shù)參數(shù)的選用,采用空間有限元分析方法,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,為類似工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

鐵路 剛架橋 設(shè)計(jì)

隨著鐵路工程的發(fā)展，鐵路與道路、溝渠交叉情況越來越復(fù)雜。特別是受j結(jié)構(gòu)高度限制的立交及斜交溝渠，采用斜交剛架結(jié)構(gòu)可以很好的滿足工程功能需要，并較大的節(jié)約工程造價(jià)。本文通過對鐵路斜交框架橋設(shè)計(jì)過程介紹，總結(jié)本類橋梁設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)，為類似工程提供設(shè)計(jì)參考。

1 工程實(shí)例

東北地區(qū)某新建雙線鐵路，與既有溝渠斜交75度，施工期間溝渠不能中斷，受其它因素影響，最終采用1-20m斜交剛架橋跨越，較好的滿足了工程需要。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)線路等級：國鐵I級；設(shè)計(jì)速度：160km/h；直線，線間距5．0m。

(2)荷載：中-活載。二期恒載160KN/m(雙線)。

橋址范圍內(nèi)，表層為粗角礫土，之下為石英砂巖。地震基本烈度8度，動(dòng)峰值加速度0．2g。

場地類別為II類，最大凍結(jié)深度1．5m。

本橋采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C45，頂板厚1．20m，側(cè)墻厚1．20m。側(cè)墻與頂板相交處采用加腋構(gòu)造，橋?qū)?3．0m。2．5m寬2．0m高承臺(tái)，承臺(tái)下設(shè)單排端承樁，樁徑2．0m，樁間距2．5m。

2 結(jié)構(gòu)模型

圖1

表1

2.1 模型介紹

采用空間有限元程序MIDAS軟件建立上部結(jié)構(gòu)模型，頂板、側(cè)墻及承臺(tái)采用板單元模擬，樁基采用梁單元模擬。按照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002．5-2005)附錄D的方法，按節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬樁基的側(cè)向邊界條件，樁基基底按固結(jié)考慮，將樁基模擬到實(shí)際模型中。

整體模型如圖1：

2.2 荷載組合

設(shè)計(jì)按以下組合檢算結(jié)構(gòu)作用：

荷載組合(恒載包括：自重、二期恒載、收縮、徐變、基礎(chǔ)變位)

(1)主力組合：恒載＋活載＋橫向搖擺力。

(2)主力＋縱向附加力組合：主力＋制動(dòng)力＋溫度荷載。

(3)多遇地震力組合(特殊荷載)：恒載＋列車豎向靜活載＋多遇地震作用＋50%靜荷載橫向效應(yīng)。

(4)罕遇地震力組合(特殊荷載)：恒載＋列車豎向靜活載＋罕遇地震作用＋50%靜荷載橫向效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)溫度影響按整體升溫按+25℃，整體降溫按-25℃計(jì)算。橋面板非線性溫度變化按頂板升溫10℃考慮，并考慮非線性溫度負(fù)效應(yīng)。混凝土收縮按降溫15℃考慮。

單側(cè)基礎(chǔ)不均勻沉降按5mm考慮。

3 計(jì)算過程

3.1 側(cè)墻基礎(chǔ)樁基設(shè)計(jì)

根據(jù)本橋地質(zhì)情況，初步擬定為端承樁，樁長為10m，樁徑2．0m，樁間距2．5m。按此情況將樁基情況模擬進(jìn)模型。

計(jì)算得樁基反力及內(nèi)力，并對此樁基檢算是否滿足要求。若不滿足，則對樁基布置進(jìn)行修改，并從新計(jì)算，直至滿足要求。

3.2 上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

根據(jù)剛架橋的受力特性，選取以下截面檢算結(jié)構(gòu)內(nèi)力：

頂板檢算截面為：頂板角偶處截面；頂板厚度變化處截面；跨中截面。

側(cè)墻檢算截面為：側(cè)墻角偶處截面；側(cè)墻底截面進(jìn)行檢算。

根據(jù)模型計(jì)算，內(nèi)力云圖如圖2：

圖2

由圖可以看出，頂板最大正彎矩出現(xiàn)在跨中，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在角偶區(qū)域。根據(jù)內(nèi)力的分布情況，與線路方向垂直斷面內(nèi)力大小較為一致，鈍角處內(nèi)力較其他位置偏大。

側(cè)墻下端內(nèi)力較為一致，側(cè)墻上端則與頂板鈍角對應(yīng)位置內(nèi)力較大。

故在配筋計(jì)算時(shí)鈍角位置宜進(jìn)行局部加強(qiáng)處理。

3.3 上部結(jié)構(gòu)變形分析

根據(jù)規(guī)范，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)截面剛度按0．8倍EI計(jì)算。在列車豎向靜活載、溫度力作用下的跨中豎向撓度為最大值為7．176mm＜L/ 1400=15．6mm，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

由計(jì)算模型得主梁最大豎向位移16．376mm。根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》當(dāng)由恒載及靜活載引起的豎向撓度等于或小于15mm或跨度的1/1600時(shí)，可不設(shè)預(yù)拱度。

故本橋需要設(shè)置預(yù)拱度，跨中處的預(yù)拱度(上拱)為：

恒載+1/2靜活載=11．716+2．33=14．046mm。

邊墻頂預(yù)拱度為0，之間按二次拋物線過渡。

通過計(jì)算側(cè)墻頂及基礎(chǔ)頂剛度如表1：

滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3.4 地震力分析

框架橋?yàn)檎w結(jié)構(gòu)，抗震性能較好，抗震薄弱位置為側(cè)墻底部，在設(shè)計(jì)計(jì)算中需要對其進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

4 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

(1)斜交剛架橋的受力較為復(fù)雜，不同于框架橋及梁式橋，對基礎(chǔ)情況的模擬尤為重要，不同的基礎(chǔ)情況，不僅關(guān)系的基礎(chǔ)自身的內(nèi)力計(jì)算，而且會(huì)對頂板及側(cè)墻的受力產(chǎn)生影響。

(2)斜交剛架橋鈍角區(qū)域內(nèi)力較大，且斜交角度越大，增大值越大。故在配筋計(jì)算時(shí)必須對相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。

5 結(jié)語

(1)斜交剛架橋可以有效的滿足特殊情況下的功能需求，對既有道路或溝渠影響較小。并且造價(jià)相對較低，有較好的應(yīng)用前景。

(2)設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)在于基礎(chǔ)邊界條件的擬定，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況設(shè)置適宜的基礎(chǔ)形式。并可選用不同的基礎(chǔ)剛度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，增大設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

[1]《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1000 2.3-2005).

[2]《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5-2005).

[3]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社.2001.

[4]杜振華.沈軼勇.斜交剛構(gòu)橋的空間有限元分析[J].鐵道勘測與設(shè)計(jì).2011.04.