摘要 文章以普速鐵路車站新建人行地道為背景，通過(guò)計(jì)算公式推導(dǎo)、Midas建模分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。采用有限元模型受力計(jì)算和公式計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)下穿鐵路人行地道框架結(jié)構(gòu)受力主筋的直徑、根數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用框架結(jié)構(gòu)配筋軟件驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，為以后類似的框架結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞 鐵路人行地道;框架結(jié)構(gòu);有限元模型;配筋設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U445.57文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）09-0102-04

引言

城市的鐵路建設(shè)完成后，一般都將城市分割成兩個(gè)區(qū)域，鐵路建設(shè)時(shí)兩側(cè)的區(qū)域發(fā)展并非均衡，因此穿越鐵路的通道在鐵路建設(shè)時(shí)期并未充分考慮。近些年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市規(guī)模在不斷地?cái)U(kuò)大，蓬勃發(fā)展的建成區(qū)逐漸將鐵路及車站包圍。城市發(fā)展需要交通的引導(dǎo)，鐵路兩側(cè)區(qū)域的連通需要穿越鐵路的通道，在道路與鐵路交叉穿越形式中，框架結(jié)構(gòu)由于施工簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用[1]。城市火車站兩側(cè)建成區(qū)人口密集，鐵路車站附近人行流量巨大，車站兩端咽喉應(yīng)設(shè)置人行通道，方便周邊居民、車站旅客通行，減少繞行。在過(guò)去的鐵路車站建設(shè)中，多數(shù)未考慮車站兩側(cè)的連通。近些年來(lái)下穿既有車站的人行通道建設(shè)越來(lái)越多，其中人行通道結(jié)構(gòu)配筋的關(guān)系到工程安全，應(yīng)當(dāng)引起重視。該文結(jié)合具體案例，對(duì)人行通道結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行了詳細(xì)論述。

1 項(xiàng)目背景

淮南站處于安徽省淮南市，為中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)所管理的二等車站，是淮南鐵路、阜淮鐵路上的重要站點(diǎn)?；茨险臼腔茨鲜凶畲蟮蔫F路客運(yùn)、貨運(yùn)站，2019年11月改造后新站房正式投入使用?；茨险菊颈睆V場(chǎng)與舜耕中路相鄰，站南與洞山東路相鄰，車站南北兩側(cè)均是建設(shè)成熟的片區(qū)，結(jié)合淮南站改建工程，新建地下人行通道與南北道路相連，能夠?yàn)槁每瓦M(jìn)出站和四周居民出行帶來(lái)極大便利，提升整個(gè)淮南站的便民服務(wù)功能。

該文依托淮南站新建人行地道項(xiàng)目，通過(guò)有限元模型計(jì)算和公式計(jì)算，對(duì)人行地道框架結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與設(shè)計(jì)軟件配筋結(jié)果對(duì)比，能夠?yàn)橐院蟮念愃祈?xiàng)目提供參考。

2 計(jì)算公式

2.1 計(jì)算依據(jù)

依據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 100092

—2017）中的條文規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算采用容許應(yīng)力法[2]。各材料容許值按以下取用：

混凝土：C40，[σb]=13.5 MPa;鋼筋：HRB400：主力時(shí)[σs]=210 MPa，主力+附加力時(shí)[σs]=270 MPa。

框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不考慮混凝土受拉，拉力全部由鋼筋承受。

人行地道框架結(jié)構(gòu)頂板和底板取單位寬度按照受彎梁進(jìn)行計(jì)算，邊墻取單位寬度按照偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

2.2 受彎構(gòu)件計(jì)算

受彎構(gòu)件按雙筋矩形梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，先假設(shè)受壓、受拉區(qū)鋼筋面積，然后計(jì)算材料應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核。

采用換算截面和內(nèi)力偶進(jìn)行計(jì)算。受拉區(qū)鋼筋的換算截面面積為，受壓區(qū)鋼筋的換算截面面積為，換算截面總面積為：。

中性軸通過(guò)換算截面的形心，即，可得下式：

（1）

由式（1）可解得：

（2）

式（2）中，;

。

內(nèi)力偶臂，其中y為壓應(yīng)力的合力D至中性軸的距離，則有：

（3）

式（3）中，Ia——受壓區(qū)截面對(duì)中性軸的慣性矩;Sa——受壓區(qū)截面對(duì)中性軸的靜矩。

通過(guò)式（1）～（3）可求出鋼筋和混凝土應(yīng)力：

受拉鋼筋應(yīng)力：

混凝土最大壓應(yīng)力：

受壓鋼筋應(yīng)力：

2.3 偏心受壓構(gòu)件計(jì)算

在容許應(yīng)力法中，偏心受壓構(gòu)件在計(jì)算前需要判斷大、小偏心。

如果是小偏心受壓，軸向壓力作用在截面核心之內(nèi)（e0≤k），這時(shí)截面是全部受壓，即中性軸在截面外;如果是大偏心受壓，軸向壓力作用在截面核心之外（e0>k），這時(shí)截面是部分受壓、部分受拉，即中性軸在截面內(nèi)[3]。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)中邊墻為大偏心受壓構(gòu)件，可考慮設(shè)計(jì)按不對(duì)稱配筋，相關(guān)的計(jì)算公式及過(guò)程如下：

2.3.1 確定中性軸位置（求x）

對(duì)軸向壓力N的作用點(diǎn)取矩，，得出下式：

（4）

由式（4）得出的關(guān)于x的一元三次方程有可能出現(xiàn)平方項(xiàng)，為了求解方便，以y為變量進(jìn)行代換，令，則有：

（5）

（6）

（7）

將式（5）～（7）代入式（4），簡(jiǎn)化得出下式：

（8）

式（8）中，

;。

計(jì)算得出：

（9）

由上述y值，可求得混凝土受壓區(qū)高度。

2.3.2 截面應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)對(duì)混凝土截面重心取矩的平衡條件，即0，得出下式：

（10）

由于

，，

代入式（10），可得：

整理后得：

≤ （11）

由應(yīng)力比例關(guān)系得：

≤;≤

上述式（4）～（11）各式中，

N——計(jì)算軸向壓力;

e——N到混凝土截面重心的距離;

、——分別為受壓鋼筋、受拉鋼筋的面積;

、——分別為的壓應(yīng)力、的拉應(yīng)力;

、——分別為到、的距離;

、a——分別為、到截面邊緣的距離;

g——N至受壓邊緣的距離;

x——受壓區(qū)高度;

y——N至中性軸的距離;

——受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力的合力;

——混凝土受壓邊緣的最大壓應(yīng)力;

b、h——截面短邊、長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度。

3 有限元模型計(jì)算

設(shè)計(jì)新建人行地道結(jié)構(gòu)總寬為13.8 m，結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬為12.0 m，邊墻厚為0.9 m;結(jié)構(gòu)總高為6.8 m，結(jié)構(gòu)凈高為5 m，裝修后凈高為3.5 m，頂板厚為0.9 m，底板厚為0.9 m;通道總長(zhǎng)度約為122 m。結(jié)構(gòu)選用C40混凝土和HRB400鋼筋。

3.1 模型建立

框架結(jié)構(gòu)利用Midas Civil軟件建立有限元模型，并進(jìn)行受力分析。頂?shù)装寮斑厜Σ捎冒鍐卧M(jìn)行模擬，地基采用彈簧單元模擬[1]，取10 m長(zhǎng)為計(jì)算單位。

框架結(jié)構(gòu)模型施加的荷載包含恒載和活載。其中：恒載包含結(jié)構(gòu)自重、線路設(shè)施重、混凝土收縮、土壓力、路面重量;活載包含ZKH活載、活載土壓力、制動(dòng)力、行包車荷載和人行荷載[4]。

3.2 內(nèi)力分析

利用Midas Civil軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，提取以下三種荷載組合情況下的計(jì)算結(jié)果：①主力=恒載+ZKH活載+行包車荷載+活載土壓力，②主力+附加力=主力+制動(dòng)力+整體升溫，③主力+附加力=主力+制動(dòng)力+整體降溫。

3.2.1 主力作用下計(jì)算結(jié)果

根據(jù)Midas計(jì)算結(jié)果，提取主力作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力示意圖（如圖1、圖2）。

3.2.2 主力+附加力作用下計(jì)算結(jié)果

根據(jù)Midas計(jì)算結(jié)果，提取主力+附加力作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力示意圖（如圖3～6）。

3.2.3 內(nèi)力結(jié)果

根據(jù)Midas計(jì)算結(jié)果，提取頂板、底板和邊墻主要截面處的單元內(nèi)力（彎矩M、剪力V、軸力N）匯總?cè)绫?。

3.3 主筋配筋及驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算公式和Midas模型提取內(nèi)力，計(jì)算框架結(jié)構(gòu)主筋配置直徑及根數(shù)，計(jì)算結(jié)果列表如表2。

采用配筋軟件鐵路框架橋CAD系統(tǒng)對(duì)人行地道框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，材料圖顯示配筋結(jié)果：①頂板上緣鋼筋為4根?25鋼筋，頂板下緣鋼筋16根?25鋼筋;②底板上緣鋼筋為14根?25鋼筋，底板下緣鋼筋4根?25鋼筋;③邊墻外側(cè)為12根?25鋼筋，邊墻內(nèi)側(cè)為8根?16鋼筋。軟件計(jì)算結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果基本一致，表明有限元模型及公式計(jì)算配筋具有一定的準(zhǔn)確性和可應(yīng)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以新建鐵路人行地道設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)受彎構(gòu)件、偏心受壓構(gòu)件計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，結(jié)合Midas有限元模型受力計(jì)算，介紹了鐵路框架結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)的方法;并與鐵路框架橋配筋軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算配筋與軟件配筋結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了計(jì)算配筋方法的準(zhǔn)確性和可應(yīng)用性，能夠?yàn)橥愴?xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]張瑋. 鐵路斜交框架橋混凝土裂縫成因及控制[J]. 四川建筑， 2009（1）： 203-204.

[2]鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： TB100092—2017[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社， 2017.

[3]孫元桃. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（第5版）[M]. 北京： 人民交通出版社， 2021.

[4]楊建良. 鐵路框構(gòu)橋設(shè)計(jì)體會(huì)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2009（3）： 80-82.

收稿日期：2022-03-15

作者簡(jiǎn)介：楊偉（1990—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁工程。