蔡暢

摘 要 近年來(lái)，隨著高速鐵路大規(guī)模的發(fā)展，鐵路與公路、河流溝渠之間的交叉越來(lái)越多且交叉角度各異，為了順利地實(shí)現(xiàn)跨越，斜交剛構(gòu)運(yùn)用地越來(lái)越多。本文以某時(shí)速350Km/h客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)斜交鋼筋混凝土雙線(xiàn)剛構(gòu)連續(xù)梁為例，結(jié)合項(xiàng)目背景對(duì)其主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了介紹，并利用空間有限元分析軟件Midas Fea進(jìn)行了受力分析，橋梁的應(yīng)力分布呈明顯的不對(duì)稱(chēng)特征，對(duì)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)進(jìn)行了探討，為同類(lèi)工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 鐵路;斜交橋;鋼構(gòu)連續(xù)梁;有限元分析;橋梁設(shè)計(jì)

1概述

近年來(lái)，隨著高速鐵路大規(guī)模的發(fā)展，鐵路與公路、河流溝渠之間的交叉越來(lái)越多且交叉角度各異，為了順利地實(shí)現(xiàn)跨越，斜交剛構(gòu)連續(xù)梁運(yùn)用地越來(lái)越多[1]。斜交鋼構(gòu)主體結(jié)構(gòu)為平行四邊形構(gòu)造，由于結(jié)構(gòu)自身的不對(duì)稱(chēng)性，其梁體受力分布也會(huì)呈現(xiàn)很強(qiáng)的空間特性[2]，本文結(jié)合某時(shí)速350Km/h客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鋼筋混凝土雙線(xiàn)剛構(gòu)連續(xù)梁設(shè)計(jì)進(jìn)行了空間有限元受力分析，并結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特征對(duì)其設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)進(jìn)行了探討。

2工程概況

本結(jié)構(gòu)為跨度（20+24+24+20）m鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主梁全長(zhǎng)89m，支座中心縱向距梁端0.5m;本橋主梁及主墩分兩幅橋設(shè)置。主梁及主墩均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40，鋼筋采用HRB400鋼筋。主梁采用矩形實(shí)體截面，外側(cè)單側(cè)設(shè)置1.30m寬翼緣板;邊支點(diǎn)、邊跨跨中、中跨跨中處主梁梁高1.35m;主墩為剛臂墩，主墩處梁高為2.15m。單幅梁底寬4.99m，頂寬6.29m。主墩與主梁剛接，主墩斜向布置，其軸線(xiàn)與主梁軸線(xiàn)夾角45度;1～3號(hào)主墩墩高分別為6.2m、6.2m、4.7m，主墩橫向與梁底同寬，縱向厚度1.909m。兩幅橋的主墩采用整體式樁基礎(chǔ)（未分幅），承臺(tái)縱向尺寸4.8m，橫向尺寸15.9m，厚2.0m，承臺(tái)斜置，每個(gè)主墩均采用10根直徑1.0m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3建模及計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

選擇利用有限元方法對(duì)該橋進(jìn)行實(shí)體建模計(jì)算以分析其應(yīng)力分布情況。采用大型通用有限元軟件 MIDAS FEA 建立模型，此軟件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的細(xì)部分析。在 MIDAS FEA 軟件中建立有限元模型，用四面體單元模擬混凝土，共劃分381756個(gè)單元，模型如圖2所示。

約束樁基底豎向位移、縱向位移及水平位移，同時(shí)橋梁梁端添加支座約束豎向及橫向位移，為檢驗(yàn)梁底應(yīng)力情況，偏保守地不考慮樁基側(cè)面支撐作用。

3.2 設(shè)計(jì)荷載

計(jì)算過(guò)程中，荷載按靜載加載，考慮結(jié)構(gòu)自重、二恒及活載三種主要荷載，分別對(duì)不同荷載類(lèi)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，同時(shí)按照施工順序?qū)奢d依次進(jìn)行了疊加計(jì)算。

4計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 結(jié)構(gòu)變形分析

由圖3可知，斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋豎向撓度變化規(guī)律類(lèi)似于正交剛構(gòu)連續(xù)梁橋，但由下部結(jié)構(gòu)橋墩的支承點(diǎn)連線(xiàn)梁體縱軸線(xiàn)不垂直，梁體會(huì)有一定的橫向扭轉(zhuǎn)變形，從而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)撓度有所差別，梁體外側(cè)（橋梁梁端至約束較長(zhǎng)一側(cè)）的豎向撓度會(huì)大于內(nèi)側(cè)豎向撓度（橋梁梁端至約束較短一側(cè)），如圖3所示。

4.2 結(jié)構(gòu)受力分析

如圖4所示，分別選取四跨共計(jì)15個(gè)主要截面（每跨1/2處、1/4處）對(duì)其應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析;各截面應(yīng)力特征值曲線(xiàn)和應(yīng)力分布云圖分別如圖5、6所示。

由圖5中應(yīng)力特征值曲線(xiàn)和截面應(yīng)力云圖可知（橫坐標(biāo)0、4分別表示第一跨梁端與第四跨梁端處，中間數(shù)字表示梁體各截面位置），隨著截面變化，斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋應(yīng)力特征值變化規(guī)律同樣類(lèi)似于正交剛構(gòu)連續(xù)梁橋[3-4]，但兩者受力模式有比較大的不同，正交剛構(gòu)連續(xù)梁主要受豎向彎矩作用，而斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋會(huì)受到“彎-扭耦合”作用，由于較大的約束扭轉(zhuǎn)和截面畸變，在截面同一位置處，應(yīng)力平均值與最大值有較大差別，呈現(xiàn)出明顯的離散性[5]。

從圖6所示截面應(yīng)力云圖中可明顯看出橋梁下部受拉區(qū)域有較大的應(yīng)力集中（紅色部分），上部受壓區(qū)域應(yīng)力的分布相對(duì)較均勻，較大差異化的應(yīng)力應(yīng)變分布會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為不利的影響，因此，當(dāng)采用平面桿系建模計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮橋墩與梁體的斜交情況，采用最為不利的“最大跨”模型進(jìn)行計(jì)算[6]，即梁端至墩頂?shù)淖钸h(yuǎn)距離作為邊跨計(jì)算跨度，并按照此計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì);由于橋梁孔跨間梁體為平行四邊形結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)出現(xiàn)了較強(qiáng)的不對(duì)稱(chēng)特征，橋梁梁端至約束較短一側(cè)會(huì)卸載，梁端至約束較長(zhǎng)一側(cè)會(huì)超載。

5結(jié)束語(yǔ)

①鋼筋混凝土斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋與常規(guī)正交剛構(gòu)連續(xù)梁橋受力模式有較大差別，變形及應(yīng)力分布均具有較強(qiáng)的空間三維特性。②斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋應(yīng)力、應(yīng)變特征值變化規(guī)律類(lèi)似于正交剛構(gòu)連續(xù)梁橋，但由于彎扭耦合作用，截面上應(yīng)力橫向分布具有明顯的離散性。③梁體截面配筋設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮截面應(yīng)力分布不均勻性，按照最不利工況進(jìn)行配筋計(jì)算。④由于橋梁孔跨間梁體為平行四邊形結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)出現(xiàn)了較強(qiáng)的不對(duì)稱(chēng)特征，橋梁梁端至約束較短一側(cè)會(huì)卸載，梁端至約束較長(zhǎng)一側(cè)會(huì)超載，還應(yīng)注意卸載一側(cè)是否會(huì)有支座脫空的情況發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸鋒.鐵路斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水運(yùn)月刊，2015（3）：129，222-223.

[2] 佚名.鋼筋混凝土斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2003（3）：8-13.

[3] 劉巧麗.寧安城際龍眠山路斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息，2012（18）：253-254.

[4] 許威.連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶交通大學(xué)，2013.

[5] 柴桂紅，白鴻國(guó).曲線(xiàn)斜交鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)受力分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008（4）：52-55.

[6] 汪禹.鐵路斜交鋼筋混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁設(shè)計(jì)研究[J].山西建筑，2018，44（13）：181-183.