張 超

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)鄭州設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000)

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下穿鐵路斜交框架橋受力分析

張 超

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)鄭州設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000)

斜交框架橋受力比較復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。本文以河南省濟(jì)源市下穿鐵路斜交框架橋?yàn)楣こ瘫尘?，采取直角補(bǔ)齊異性正交設(shè)計(jì)，通過有限元軟件MIDAS建立三維空間板單元模型，計(jì)算分析結(jié)構(gòu)受力特性，進(jìn)而總結(jié)出配筋特點(diǎn)，可為同類斜交框架橋的設(shè)計(jì)提供參考與指導(dǎo)。

下穿鐵路；斜交框架；受力分析

1 斜交框架橋受力分析方法

通常框架橋多按照平面變形問題進(jìn)行受力分析，主要采用平面桿系軟件如《地道橋CAD系統(tǒng)》進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算配筋。但是對(duì)于一些斜交框架橋尤其是大斜交角度情況下，框架橋內(nèi)任一截面都存在復(fù)雜的彎、剪、扭復(fù)合作用，受力情況非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)合平面桿系有限元計(jì)算方法已不符合大斜交角度框架橋的受力特點(diǎn)，其計(jì)算結(jié)果與工程真實(shí)受力狀態(tài)誤差較大，無法滿足工程實(shí)際需要。因此對(duì)于此類斜交框架橋有必要建立其三維空間計(jì)算模型，并合理的對(duì)荷載和約束在空間上進(jìn)行簡(jiǎn)化，以研究結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)特性。

本文借助于橋梁有限元分析軟件Midas Civil2015建立大斜交角度框架橋三維空間模型。按照結(jié)構(gòu)模型、幾何特性、邊界條件等與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，同時(shí)可正確反映各工況下結(jié)構(gòu)受力特性和荷載狀況的原則，采用空間板單元模擬，底板與土的相互作用按文克爾彈性地基模型建立，并在模型中采用面彈性支撐，用受壓彈簧模擬彈性地基。

2 工程概況

本工程地處河南省濟(jì)源市，為溫邵線罡頭至李八莊一級(jí)公路改建工程在玉陽村南下穿五三一專用鐵路，橋位處鐵路位于曲線段，曲線半徑300 m。該公路下穿既有鐵路采用(12+12)m現(xiàn)澆兩孔連續(xù)框架橋，道路與鐵路夾角為33.8°，箱橋按斜交角32.2°設(shè)計(jì)。箱橋凈空≥5.0 m。箱橋結(jié)構(gòu)高度9.5 m，其中箱橋頂板厚1.3 m，底板厚1.4 m，中墻厚1.2 m，側(cè)墻厚1.2 m。該箱橋由于斜交角度較大，

因此決定采用直角補(bǔ)齊、異性正交設(shè)計(jì)的方法，以改善結(jié)構(gòu)整體受力，避免外部扭轉(zhuǎn)引起的不利影響和斜交應(yīng)力集中問題。

3 建模分析

3.1 設(shè)計(jì)荷載

包括：①恒載：框架橋自重、二期恒載、側(cè)墻土壓力；②鐵路活載：中—活載(2005)、列車沖擊力、列車活載土壓力；③城市活載：城—A；④其他：混凝土收縮徐變、溫度效應(yīng)。

3.2 結(jié)構(gòu)模型

通過橋梁有限元軟件Midas Civil2015建立全橋模型，研究其空間受力特性。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1，其中板的面內(nèi)外厚度均采用實(shí)際厚度，全橋共有678個(gè)節(jié)點(diǎn)，898個(gè)板單元。

3.3 荷載組合

①恒載+列車+兩側(cè)活載土壓力；②恒載+兩側(cè)活載土壓力；③恒載+列車+單側(cè)活載土壓力④恒載+單側(cè)活載土壓力⑤恒載+汽車+兩側(cè)活載土壓力；⑥恒載+列車+汽車+兩側(cè)活載土壓力。

3.4 結(jié)果分析

不同荷載組合條件下對(duì)框架橋頂、底板、邊板的影響不同，因此本文取其最不利情況進(jìn)行分析，根據(jù)跨中和支撐邊的內(nèi)力大小、主彎矩方向及板的幾何特性來確定合理配筋方案。圖1為全橋主彎矩圖。

圖1 彎矩圖

根據(jù)圖1所示，可以得出該斜交框架橋的力學(xué)特性如下：

(1)內(nèi)力分布不均勻主要出現(xiàn)在該框架橋的頂板和底板區(qū)域，而且在側(cè)墻和頂、底板連接處內(nèi)力較大；

(2)框架橋頂板和底板鈍角處有最大正彎矩(紅色部分)存在，框架橋跨中部分存在最大負(fù)彎矩；

(3)主彎矩方向呈現(xiàn)出垂直于邊墻的特點(diǎn)，且頂板與中墻連接處彎矩大于頂板與邊墻連接處彎矩值；

(4)在頂板和豎墻連接部位正彎矩和負(fù)彎矩大小都呈現(xiàn)出由鈍角處向銳角處逐漸減小的趨勢(shì)。

本文作者根據(jù)從空間有限元模型受力特性分析結(jié)果總結(jié)出如下幾點(diǎn)斜交角度框架橋的配筋特點(diǎn)：

①頂?shù)装鍍?nèi)主筋應(yīng)伸到立墻內(nèi)，且與立墻內(nèi)豎向主筋焊接，形成封閉式主筋，這樣有利于結(jié)構(gòu)抗扭。

②頂?shù)装逶阝g角處會(huì)產(chǎn)生較大的正彎矩，而且與框架橋跨徑方向并不一致。因此可在頂?shù)装邂g角位置垂直于平分線方向增設(shè)加強(qiáng)鋼筋，以承受正彎矩；在頂?shù)装邂g角位置下部平行于鈍角平分線方向增設(shè)加強(qiáng)鋼筋，以承受板底拉力。

③在頂板與豎墻相交處存在較大彎矩和剪應(yīng)力，而且這些力呈正反交替的規(guī)律作用在頂板上可能會(huì)產(chǎn)生交叉裂縫，因此在頂板與豎墻相交處增設(shè)加強(qiáng)鋼筋，加強(qiáng)鋼筋可以起到更好的固定軸向鋼筋作用，從而減少相交處裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié) 論

斜交框架橋的受力特性和正交框架橋比起來還是存在較大差別，其在鈍角處承受了較大的彎矩、剪力及扭矩，若按照常規(guī)正交框架橋采用平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，所得結(jié)果誤差會(huì)很大。同時(shí)為避免由于斜交角度過小而出現(xiàn)應(yīng)力集中和外部扭轉(zhuǎn)問題，可在框架橋兩端采取直角補(bǔ)齊、異性正交設(shè)計(jì)以改善結(jié)構(gòu)受力性能。隨著下穿鐵路斜交框架橋的日益增多，應(yīng)根據(jù)具體的斜交角度結(jié)合有限元軟件MIDAS建立三維空間板單元模型，對(duì)斜交框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析，正確分析其受力狀況，重點(diǎn)關(guān)注框架橋邊腹板連接處、跨中以及鈍角處內(nèi)力結(jié)果，以合理指導(dǎo)配筋。

[1] 范軍琳.大斜交角度鐵路框架橋結(jié)構(gòu)受力分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2010，(10)：19-22.

[2] 趙勇.下穿鐵路斜交框架橋受力分析[J].鐵道勘察，2015，(6)：91-93.

[3] 周家新.下穿鐵路斜角框架橋的空間結(jié)構(gòu)分析[J].鐵道建筑，2005，(7).

2016-03-11

張超(1989-)，男，河南孟州人，助理工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。

U24

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1008-3383(2016)11-0080-02