剛度在框架墩計(jì)算中的影響

萬 明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300142)

1 概述

在鐵路建設(shè)中,由于既有道路和地下管線的復(fù)雜性,在相交平面上和新建鐵路發(fā)生沖突的問題也隨之增多。和大跨結(jié)構(gòu)相比,框架墩結(jié)構(gòu)以其布置靈活、工期短、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。本文將著重介紹剛度在框架墩結(jié)構(gòu)計(jì)算中的影響。

2 分析要點(diǎn)

框架墩結(jié)構(gòu)尺寸的確定,除了考慮建筑限界的限制,還應(yīng)重點(diǎn)考慮橫梁和墩柱的剛度匹配關(guān)系。總的來說,希望橫梁的剛度要大(荷載引起的變形小),墩柱的剛度要小(由于不設(shè)系梁,墩柱對(duì)溫度力和收縮徐變荷載非常敏感)。

現(xiàn)以津秦客運(yùn)專線某一跨度為10.9 m的鋼筋混凝土框架墩為例，說明某種荷載組合對(duì)橫梁剛度的敏感程度,如表1所示。

由表1可知,橫梁的剛度對(duì)彎矩的影響比較大。

框架墩由于本身剛度相對(duì)較大且為超靜定結(jié)構(gòu),很小的不均勻沉降往往會(huì)使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力顯著增加。因此,為了控制沉降,工程上采用沉降量較小的柱樁或摩擦樁。仍以上面例子來說明某種荷載組合對(duì)不均勻沉降的敏感程度,如表2所示。

表1 橫梁剛度影響下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

表2 不均勻沉降影響下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

大跨度框架墩對(duì)基礎(chǔ)的約束模擬非常敏感,模擬約束較強(qiáng)時(shí),橫梁設(shè)計(jì)不安全,同時(shí)使立柱和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)較為困難；模擬約束較實(shí)際弱時(shí),使橫梁設(shè)計(jì)困難,而立柱和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不安全[1]。實(shí)際計(jì)算中為了克服此種影響,往往利用經(jīng)過迭代計(jì)算的一倍基礎(chǔ)剛度控制橫梁的變形,兩倍或三倍基礎(chǔ)剛度控制墩柱的配筋。表3分別比較了基礎(chǔ)在固結(jié)、實(shí)際計(jì)算剛度、三倍計(jì)算剛度時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。

由表3可知,橫梁的跨中彎矩隨著基礎(chǔ)剛度的增加而減小,而對(duì)于墩柱來說，彎矩隨著基礎(chǔ)剛度的增加而增加。圖1～圖3分別表現(xiàn)了隨著基礎(chǔ)剛度的變化,結(jié)構(gòu)最大正負(fù)彎矩的位置變化情況。

表3 基礎(chǔ)剛度影響下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

圖1 一倍基礎(chǔ)剛度

圖2 三倍基礎(chǔ)剛度

圖3 基礎(chǔ)固結(jié)

在計(jì)算中準(zhǔn)確的模擬樁基礎(chǔ)的計(jì)算剛度有兩種方法。第一種為等代土彈簧法,其基本方法是將樁一地基體系按土層厚度離散成一個(gè)理想化的參數(shù)系統(tǒng),用彈簧和阻尼器模擬土介質(zhì)的動(dòng)力性質(zhì),形成一個(gè)地下部分的多質(zhì)點(diǎn)體系,然后和上部結(jié)構(gòu)近質(zhì)點(diǎn)體系聯(lián)合建立動(dòng)力微分方程組進(jìn)行求解[2]。第二種方法則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)一個(gè)基礎(chǔ)剛度,然后利用單位力法重新求解出一個(gè)新的基礎(chǔ)剛度,考察其是否與計(jì)算模型吻合。如不吻合,則利用新計(jì)算出來的基礎(chǔ)剛度再次進(jìn)行計(jì)算,直到滿意為止。

3 結(jié)論

框架墩結(jié)構(gòu)橫梁和墩柱的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算有非常大的影響,在計(jì)算中需合理調(diào)整橫梁和墩柱的剛度比,根據(jù)多次計(jì)算可知,鐵路橋梁一般比例控制在1∶1.5到1∶2之間比較合適。

因基礎(chǔ)的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響比較大,所以應(yīng)準(zhǔn)確的模擬。在計(jì)算中先假設(shè)一個(gè)剛度,然后反復(fù)計(jì)算迭代,直到求解出較準(zhǔn)確剛度。

[1]田萬俊.預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2003(8)

[2]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1997