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        高填方段大跨度雙孔鐵路框架橋的力學(xué)性能

        2020-12-07 11:59:40聶細(xì)鋒劉志軍黃樹(shù)強(qiáng)
        鐵道建筑 2020年11期
        關(guān)鍵詞:斜交邊墻覆土

        聶細(xì)鋒 劉志軍 黃樹(shù)強(qiáng)

        (中鐵二院貴陽(yáng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,貴陽(yáng) 550002)

        鋼筋混凝土框架橋廣泛運(yùn)用于線路立交工程中,一般跨徑小于16 m,填方段高度不超過(guò)10 m。國(guó)內(nèi)對(duì)此類框架橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能已開(kāi)展了較多的研究[1-5],但對(duì)高填方交叉路口段設(shè)置框架橋且結(jié)構(gòu)凈空高度大于10 m的研究較少。

        本文以一座市政道路下穿新建鐵路貨運(yùn)線站場(chǎng)高填方段曲線雙孔框架橋?yàn)橐劳?,通過(guò)分析其力學(xué)性能及影響因素,確定框架橋結(jié)構(gòu)的合理布置形式。

        1 工程概況

        新建鐵路甕安至馬場(chǎng)坪貨運(yùn)線甕安車站與既有城市主干道交叉,車站上跨城市道路。交叉范圍內(nèi)設(shè)有7 股道,正線為第2 股道,其中第7 股道距正線間距為159 m,正線位于平坡、直線上。正線股道與城市道路交叉角度為54°,城市道路與車站交叉區(qū)域路線長(zhǎng)約300 m,道路寬24 m,道路縱坡6%。交叉區(qū)域道路路面距鐵路軌面高差13~28 m。采用2×14.0 m 框架橋跨越道路。

        因車站股道與城市道路斜交,框架橋平面布置可以采用斜交斜做或斜交正做2 種形式,斜交角度會(huì)影響方案布置。因站場(chǎng)填方最高處達(dá)30 m,可采用2 種方案:①頂板覆土厚度大,框身結(jié)構(gòu)高度低;②頂板覆土厚度小,框身結(jié)構(gòu)高度高。以填方高度最大處節(jié)段框架方案為研究對(duì)象,其凈高25.1 m,節(jié)段長(zhǎng)10 m。橫斷面布置及擬定結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1。圖中,H為框體高度;h1,h2分別為框體第1層、第2層凈高。

        圖1 橫斷面布置及擬定結(jié)構(gòu)尺寸(單位:cm)

        2 有限元模型

        采用MIDAS/Civil建立框架橋結(jié)構(gòu)有限元模型,全橋采用板單元模擬。底板與基礎(chǔ)之間的連接按文克爾假定理論進(jìn)行模擬分析,采用受壓彈簧單元模擬,地基反力系數(shù)為20 MN/m3。

        框架橋結(jié)構(gòu)參數(shù)及荷載取值如下:框身主體結(jié)構(gòu)采用C45 混凝土;恒載包括頂板覆土、道路路面結(jié)構(gòu)、道砟及軌道設(shè)備重量;考慮邊墻靜土壓力,混凝土收縮、徐變效應(yīng)。靜土壓力系數(shù)采用0.25 或0.35,取其不利者控制設(shè)計(jì);活載包括列車活載(作用于頂板)、汽車活載(作用于底板)、活載土壓力;收縮荷載按降溫15 ℃考慮;頂板升降溫按5 ℃考慮。

        上述荷載計(jì)算及組合均按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行[6-8],其中邊墻兩側(cè)采用A組填料摻入水泥回填。

        3 力學(xué)性能影響因素分析

        3.1 中板設(shè)置

        根據(jù)中板設(shè)置方案(表1)建立有限元模型,模型中H=27.8 m,框架正交,主力作用下不同中板設(shè)置位置框架橋構(gòu)件內(nèi)力見(jiàn)表2。靜土壓力作用下邊墻內(nèi)力見(jiàn)表3,靜土壓力系數(shù)為0.35。

        由表2 可知:①設(shè)置中板可顯著減小頂?shù)装遄钚∝?fù)彎矩、邊墻正負(fù)彎矩及剪力,說(shuō)明設(shè)置中板可較好地改善框體結(jié)構(gòu)內(nèi)力。②設(shè)置2 道中板比設(shè)置1 道中板能減小邊墻最大正彎矩及剪力,但頂?shù)装鍍?nèi)力均增加較多,總體對(duì)框體結(jié)構(gòu)內(nèi)力并無(wú)改善。③方案2 比方案3頂板內(nèi)力稍大,邊墻最大正彎矩顯著減?。皇┕r(shí)方案3比方案2中板位置低,更便于支架施工。

        表1 中板設(shè)置方案

        表2 主力作用下不同中板設(shè)置位置框架橋構(gòu)件內(nèi)力

        表3 靜土壓力作用下邊墻內(nèi)力

        對(duì)比表2 和表3 可知:表3 方案1 邊墻最小彎矩及剪力與表2方案1邊墻對(duì)應(yīng)數(shù)值比值約為0.60,表3方案1 邊墻最大正彎矩與表2 方案1 邊墻對(duì)應(yīng)數(shù)值比值為0.96,可知靜土壓力占主力比值較大。設(shè)置中板后可有效減小邊墻靜土壓力工況下的內(nèi)力,正負(fù)彎矩減小幅值達(dá)50%以上。

        由上述分析可知:選用方案2和方案3比方案1和方案4具有顯著優(yōu)勢(shì),考慮施工方便宜選用方案3。

        3.2 斜交角度

        建立有限元模型研究斜交角度分別為0,15°,30°,45°時(shí)對(duì)框身構(gòu)件力學(xué)性能的影響,模型中H=27.8 m,中板位于邊墻中間,主力作用下不同斜交角度框架橋構(gòu)件內(nèi)力見(jiàn)表4。

        表4 主力作用下不同斜交角度框架橋構(gòu)件內(nèi)力

        由表4可知:隨著斜交角度的增大,框身內(nèi)力向鈍角處集中,使得內(nèi)力極值增大。當(dāng)斜交角度分別為15°,30°,45°時(shí)與斜交角度為0 時(shí)相比,頂板最大彎矩比值分別為1.14,1.50,1.83;剪力比值分別為1.23,1.45,1.94。這說(shuō)明斜交角度超過(guò)15°時(shí),框身內(nèi)力增長(zhǎng)幅度較大,力學(xué)性能逐漸變差。

        3.3 頂板覆土厚度

        當(dāng)?shù)缆仿访嬷凌F路軌面距離一定時(shí),邊墻高度及頂板覆土厚度可以采用不同組合形式,組合方案見(jiàn)表5。

        表5 組合方案

        框架正交,主力作用下不同頂板覆土厚度框架橋構(gòu)件內(nèi)力見(jiàn)表6。可知:隨著頂板覆土厚度的增加,邊墻高度的降低,頂?shù)装鍍?nèi)力均增大,邊墻最大正彎矩減小??蛏碚w力學(xué)性能隨頂板覆土厚度增加而變差。

        表6 主力作用下不同頂板覆土厚度框架橋構(gòu)件內(nèi)力

        4 結(jié)論

        1)從框身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性能方面考慮,宜采用1 道中板,可設(shè)置在邊墻中部或下部。不設(shè)置中板會(huì)導(dǎo)致框身內(nèi)力顯著增大。為施工方便,中板可以設(shè)置在下部。

        2)高填方段框架橋邊墻靜土壓力比普通框架橋增大較多,設(shè)置中板可以有效減小邊墻內(nèi)力。

        3)框身斜交角度超過(guò)15°時(shí),各構(gòu)件內(nèi)力增加較大,力學(xué)性能逐漸變差。

        4)頂板覆土厚度較小、邊墻高度較高方案比頂板覆土厚度較大、邊墻高度較低方案框身整體力學(xué)性能更佳。

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