李勇磊

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司鄭州分院，河南 鄭州 450000）

框架橋廣泛應(yīng)用于下穿鐵路及公路工程中，是一種不可缺少的構(gòu)造?？蚣軜蛘w性好、剛度大、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)為鐵路與道路交叉、道路與道路交叉等問題提供了很好的解決方式。文章采用Midas/civil civil-designer對(duì)某頂進(jìn)框架橋下穿鐵路道岔區(qū)進(jìn)行了計(jì)算分析，也為此類工程提供參考。

1 工程概況

該道路為雙向八車道城市主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h，規(guī)劃道路橫斷面寬度為45 m，道路主線機(jī)動(dòng)車道為雙向8車道，兩側(cè)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道及人行道，機(jī)動(dòng)車道左右幅均單孔設(shè)置、人非道同孔通行，即框架采用四孔結(jié)構(gòu)形式。

框架橋單孔正寬均為13 m，凈高6.5 m，頂板厚1.0 m，底板厚1.1 m，邊墻厚1.0 m，頂板加腋1.2 m×0.4 m，底板加腋0.5 m×0.5 m?？蚣芄卜?節(jié)，頂進(jìn)段節(jié)長39.3 m。框架橋橫斷面布置圖見圖1所示。

圖1 框架橋橫斷面布置圖

2 框架橋受力分析

2.1 模型建立

依據(jù)框架橋主體結(jié)構(gòu)布置圖和框架鋼筋布置圖，驗(yàn)算（1～13 m）框架，采用邁達(dá)斯軟件建立每延米寬框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，框架模型共劃分102個(gè)節(jié)點(diǎn)，72個(gè)梁單元，模型如圖2所示。該框架橋模型邊界條件：基礎(chǔ)對(duì)底板的約束以彈性地基梁模型模擬。根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10093-2017）規(guī)定，豎向地基系數(shù)C0=m0×h，m0為地基系數(shù)比例系數(shù)，h表示入土深度，根據(jù)C0來確定彈簧剛度系數(shù)。底板兩側(cè)為限制其橫向位移的方式約束。

圖2 計(jì)算模型圖

2.2 荷載取值

2.2.1 結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備荷載

混凝土結(jié)構(gòu)自重、土側(cè)壓力、混凝土收縮及徐變作用等。結(jié)構(gòu)自重的取值以實(shí)際斷面尺寸為準(zhǔn)，鋼筋混凝土容重的取值為26.0 kN/m3；橋頂填料按1.26 m計(jì)算，碎石道砟容重按21.0 kN/m3取值；框架橋側(cè)墻受主動(dòng)土壓力作用，大小為12.7～36.9 kN/m；收縮徐變時(shí)間取10 a，即3 650 d。

2.2.2 土壓力

由庫倫理論可知，框架兩側(cè)土體測向壓力的取值公式為：

q-單位面積主動(dòng)土壓力（kN/m2）；

γ-作用在框架兩側(cè)土體的容重（kN/m3）；

2.2.3 列車荷載

鐵路荷載采用客貨共線ZKH荷載沿線路縱向進(jìn)行動(dòng)向加載，并考慮動(dòng)載沖擊作用。文章框架橋模型計(jì)算寬度取值為1 m，因此，在最不利狀態(tài)下，每延米的列車均布活載即為模型中施加的列車荷載值。按照規(guī)范，列車荷載橫向加載長度為3.9 m，那么1 m寬框架橋有限元模型車道系數(shù)應(yīng)為1/3.9=0.256。

2.2.4 由活載引起的土壓力

列車活載引起的土壓力可由下列公式計(jì)算：

qh-活載在軌底以下h（m）處造成的豎向土壓力（kN/m2）；

ξ-水平壓力系數(shù)，填土取0.25或0.35，具體取值可視現(xiàn)場土質(zhì)情況而定；

h-軌底以下的深度；

q-特種活載分布集度（kN/m）。

3 框架橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

3.1 混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算

本構(gòu)件混凝土壓應(yīng)力最大值σc=7.912 MPa，《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092-2017）規(guī)定的容許壓應(yīng)力[σb]=13.5 MPa，因此混凝土壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.2 中性軸處剪應(yīng)力驗(yàn)算

中性軸處剪應(yīng)力τ=1.76 MPa，根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092-2017）規(guī)定的混凝土有箍筋及斜筋時(shí)的主拉應(yīng)力容許值[σtb-1]=2.25 MPa，因此中性軸處剪應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.3 結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算

頂?shù)装遄畲罅芽p寬度ω1=0.138 mm，邊墻最大裂縫寬度ω2=0.138 mm，根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092-2017）可知裂縫寬度容許值[ωf]=0.20 mm，因此結(jié)構(gòu)裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

4 架空系統(tǒng)驗(yàn)算

4.1 架空方案

本工程位于道岔區(qū)內(nèi)，擬建框架橋上方共5股道，其中正線2股，到發(fā)線2股，岔線1股。南側(cè)到發(fā)線、正線上下行采取D型便梁架空，北側(cè)到發(fā)線及岔線采用縱橫梁法架空，分次架空，分次頂進(jìn)，施工工序較為繁瑣，多段便梁錯(cuò)位布置，因此存在帽梁構(gòu)造尺寸與便梁系統(tǒng)支點(diǎn)不匹配的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)計(jì)算架空縱橫梁變形偏大，最大變形35.5 mm，道岔區(qū)內(nèi)豎向變形最大25.97 mm，岔尖處變形15.73 mm，不滿足《普速鐵路線路修理規(guī)則》（2019年1月）中IV級(jí)（限速45 km/h）軌道動(dòng)態(tài)幾何不平順容許偏差管理值高低偏差26 mm的相關(guān)規(guī)定，影響列車運(yùn)行的平順性和穩(wěn)定性。

為保證鐵路運(yùn)行的穩(wěn)定性，本次設(shè)計(jì)采用工廠特殊加工定制的D24縱梁，并在D24縱梁A、縱梁B跨中設(shè)置預(yù)拱度，預(yù)拱值均為15 mm，起拱值曲線按二次拋物線設(shè)置。為精確了解縱橫梁架空體系的受力性能，建立空間有限元模型，對(duì)整個(gè)架空上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析。

4.2 架空體系模型建立

采用MIDAS Civil有限元分析軟件建立北側(cè)到發(fā)線及岔線的縱橫梁架空體系模型，檢算其運(yùn)營狀態(tài)，單元類型為一般梁單元。

模型建立時(shí)，均采用實(shí)際尺寸或等待截面模擬縱梁、橫梁、橫抬梁、鋼軌，在各桿件交叉位置，單元均進(jìn)行分割。模型劃分共計(jì)1 746個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 725個(gè)單元。支撐樁、滑動(dòng)支點(diǎn)樁均采用一般支承模擬，只對(duì)Dz（豎向位移）進(jìn)行約束，Rx、Ry、Rz均不約束。橫梁組端部均為豎向位移的剛性連接，詳見圖3。

圖3 縱橫梁架空體系模型

4.3 荷載

縱橫梁架空體系施加的荷載包括：架空結(jié)構(gòu)自重、活載。活載采用ZKH活載，在路線縱向動(dòng)態(tài)加載，并考慮沖擊作用。

4.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

4.4.1 結(jié)構(gòu)支點(diǎn)反力

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型得出的結(jié)果可知，最大的支點(diǎn)反力值為2 905 kN。

4.4.2 架空體系縱橫梁梁單元應(yīng)力

D24縱梁為工廠特使加工定制，其最大應(yīng)力值為135.5 MPa，小于規(guī)范中容許應(yīng)力值為240 MPa，因此D24縱梁應(yīng)力值滿足規(guī)范要求，D24縱梁應(yīng)力圖如圖4所示；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，普通橫梁I56b工字鋼最大應(yīng)力為136.8 MPa，小于規(guī)范中容許應(yīng)力值210 MPa，因此應(yīng)力值滿足規(guī)范要求；由5根I56b工字鋼組成的橫梁組最大應(yīng)力輸出結(jié)果為77.7 MPa，小于規(guī)范中規(guī)定的容許應(yīng)力值210 MPa，應(yīng)力值滿足規(guī)范要求。

圖4 特殊加工D24便梁應(yīng)力圖

4.4.3 位移變形

由Midas位移結(jié)果可知，特殊定制的D24縱梁豎向位移最大值為28.2 mm，規(guī)范中梁體的豎向撓度容許值為L/400（L為跨度），經(jīng)計(jì)算可知Midas輸出位移值小于容許值，豎向位移滿足規(guī)范要求，Midas輸出結(jié)構(gòu)如圖5所示；普通橫梁I56b工字鋼結(jié)構(gòu)最大豎向變形為7.4 mm，小于規(guī)范規(guī)定的梁體豎向撓度容許值L/400=22.4 mm，豎向位移滿足規(guī)范要求；由5根I56b工字鋼組成的橫梁組豎向位移最大值為6.03 mm，小于規(guī)范規(guī)定梁體豎向撓度容許值L/400=22.4 mm，豎向位移滿足規(guī)范要求。

圖5 特殊加工D24縱梁位移圖

根據(jù)MIDAS Civil有限元軟件對(duì)北側(cè)到發(fā)線及岔線采用的縱橫梁架空驗(yàn)算結(jié)果可知，本項(xiàng)目采用的工廠特制的D24縱梁應(yīng)力與變形均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

文章依據(jù)工程實(shí)例對(duì)框架橋主體進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，并對(duì)道岔區(qū)縱橫梁加固體系進(jìn)行安全性分析。結(jié)果表明：本項(xiàng)目框架橋主體結(jié)構(gòu)受力及裂縫寬度符合規(guī)范要求，道岔區(qū)縱橫梁加固體系中，縱梁采用特制的D24便梁后，改善了架空體系的受力及位移，滿足規(guī)范的要求。