并行地段鐵路斜交連續剛架橋設計研究

陳兆毅　王艷軍

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142； 2.中國市政工程華北設計研究總院，天津　300074)

1　工程背景

本文設計橋梁為新建鐵路單線橋梁，結構位于7 000 m曲線半徑的緩和曲線上，與既有鐵路并行。受客觀條件的限制，新線與既有線線間距最小處僅為5.6 m，既有鐵路橋梁結構為(9.075+17.8+9.075) m斜交連續剛架橋，線路與既有公里斜交(法向角度為20°)。

2　設計方案比選

2.1　設計方案確定

考慮與既有結構對孔布置且線路縱坡較低等客觀因素的影響，設計方案主要對以下三種結構形式進行了比選，分別為：三孔框構橋、兩端設置橋臺連續剛構橋及連續剛架橋。

三孔框構橋優點：框構橋具有建筑高度低、斷面輕巧，總體布置靈活，對地基承載力要求低，抗震性能好，板與墻在交接處均為剛性連接，形成推力的自身平衡等優點。但框構橋在施工過程中需要斷開道路，影響交通。本工點存在大量地下管線，修建框構橋存在很大困難，且與既有結構銜接較為困難。

兩端設置橋臺斜交剛構連續梁橋結構形式：中間橋墩與梁部固接，邊墩和橋臺用活動支座與梁部相連接。該結構整體性能強、結構剛度大、抗震性能好。由于邊墩和橋臺用活動支座與梁部相連接，使結構在溫度跨度較大的邊墩和橋臺處不受溫度力的影響，大大改善了結構的受力狀況。但本結構需要設置橋臺，與既有結構對接不順暢，且圬工量較大。

三孔連續剛架橋外形美觀，結構尺寸小，橋下凈空大，橋下視野開闊。剛架橋的主梁與墩之間采用剛性連接，在豎向荷載作用下，主梁端部將產生負彎矩，從而減小了主梁跨中的正彎矩，跨中截面尺寸可相應減小。結構整體性能強、結構剛度大、抗震性能好，與既有結構銜接順暢，避免了施工期間影響道路交通的問題，對地下管線不產生影響。

通過對以上三種結構的對比分析，三孔連續剛架橋為比較合理的設計方案。

2.2　具體橋梁方案的設計

(1)結構尺寸的擬定

考慮與既有結構對孔，本結構跨度設置為(9+19+9) m，與道路法向夾角為20°。考慮邊跨跨度較小，在梁高的設置上比中跨梁高小30 cm，符合本剛架橋的受力特點。本結構為超靜定結構，溫度變化效應會對結構產生較大的附加力，且邊墩需要抵抗土的側向壓力。為減小邊墩及其基礎的荷載，適當對中墩進行了加厚，以減小溫度效應邊墩的影響，使結構的受力更為合理。結構尺寸見圖1和圖2。

圖1　新建連續剛架橋立面圖(單位：cm)

圖2　新建連續剛架橋與既有結構關系平面圖(單位：cm)

(2)結構設計中的關鍵問題及難點

三跨連續剛架橋屬于超靜定結構，并且本橋與既有結構相接，在設計上存在一定的特殊性，因而在設計過程中存在以下關鍵問題及難點：

①新建鐵路線與既有鐵路線線間距很小，因此新建橋梁與既有結構存在相接的關系，在新建橋梁設計上應注意避免對既有結構的干擾，這樣就對新建橋梁的結構形式有了一定的限制，例如結構偏心受載等，如何解決這些問題也是本橋設計的一個關鍵問題及難點。

②本結構為斜交結構，如何對結構進行合理的配筋設計也是本橋設計的關鍵問題。

3　設計計算與關鍵問題分析

3.1　計算方法

本橋斜交角度較大，采用簡化的平面計算模型已經不適合，故通過橋梁設計大型有限元軟件MIDAS/Civil，采用空間厚板單元，建立有限元整體模型進行受力分析，梁部、剛壁墩及承臺均采用空間板單元，樁基礎采用彈簧剛度模擬作為結構邊界條件，見圖3。考慮的荷載包括自重、溫度梯度、整體升降溫、恒載側向土壓力、活載側向土壓力、混凝土收縮徐變、列車中—活載、基礎沉降等。

圖3　有限元計算模型

3.2　混凝土收縮及溫度力的控制

本結構四處剛壁墩與梁體剛接，屬于典型的超靜定結構，對混凝土收縮、徐變及溫度效應的影響非常敏感。根據《鐵路橋涵設計基本規范》的規定：超靜定結構混凝土收縮的影響，可按降低溫度的方法來計算。對于整體澆筑的鋼筋混凝土結構，相當于降低溫度15 ℃，對于分段澆筑的鋼筋混凝土結構，相當于降低10 ℃。為降低混凝土收縮對于本結構的不利影響，在施工過程中采用分段澆筑的施工方法，在邊跨及中跨處設置合龍段。

為降低整體升降溫對本結構的影響，將本橋施工合龍溫度設定為3～4 ℃，溫度力按整體溫升20 ℃、整體溫降-15 ℃計，將溫度效應影響降為最低。

3.3　基礎偏壓計算分析

新建橋與既有橋梁結構相接，為避免新建結構基礎與既有結構基礎的干擾，根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002.5—2005)規定：鉆孔灌注摩擦樁的中心距不應小于2.5倍成孔樁徑。根據該規定，本結構基礎橫橋向相對于結構本身為非對稱設置。另外，由于新建線路與既有線線間距較小，由列車活載產生的橫橋向偏壓很大，使結構基礎產生了很大的橫向彎矩，對基礎設計造成了相當大的困難，尤其是在主力組合作用下，樁基礎容易出現上拔力，這在鐵路基礎設計中是不允許的。為了解決這一難題，本橋在設計中通過調整基礎的形式并進行比較分析，找到解決該問題的最優方案。

(1)方案一：加大基礎尺寸、梁體整體加寬

①基礎形式

結構之所以產生偏壓，主要是因為基礎中心與結構重心之間存在較大的偏心，為克服這一不利因素的影響，本方案采用了加大承臺尺寸，梁體及橋墩也適當加寬的方法。通過采取這些措施，來減小基礎中心與結構重心的偏心距離，見圖4。

圖4　方案一：基礎形式布置(單位：cm)

②樁頂外力計算結果

通過Midas整體模型計算所得反力，計算墩基礎主力組合作用下樁頂外力見表1、表2。

表1　邊墩主力組合作用下樁頂外力計算結果

表2　中墩主力組合作用下樁頂外力計算結果

從表1、表2中可發現，本橋在主力組合作用下，樁基軸向力最小為14.5 kN，為壓力，樁基未出現上拔力，符合規范限值要求。

(2)方案二：減小基礎尺寸、梁體寬度減小

①基礎形式

本結構樁基之所以容易產生上拔力，主要原因為結構本身存在偏壓，另外本結構結構形式相對輕巧，對樁基的壓重不足。因此本方案適當減小了樁基根數，以提高單根樁基的軸向壓重，以達到克服上拔力的目的。

②樁頂外力計算結果

通過Midas整體模型計算所得反力，計算墩基礎主力組合作用下樁頂外力，見表3、表4。

本橋在主力組合作用下，樁基軸向力最小為179.4 kN，為壓力，樁基未出現上拔力，符合規范限值要求。

(3)方案比較結論

通過對以上兩個方案的的計算分析，兩個方案均可滿足設計要求，但由于本橋位于單線鐵路上，方案一加大了基礎尺寸及整個結構的橫橋向寬度，與路基銜接不順暢，相對于方案二既不美觀也造成了較大的浪費。經過比較，方案二為更優方案。

表3　中墩主力組合作用下樁頂外力計算結果

表4　中墩主力組合作用下樁頂外力計算結果

3.4　結構配筋設計要點

本橋斜彎剛架連續梁的受力復雜，圖5為“主力”荷載工況下L橋的Mxx彎矩內力圖，梁體在主跨鈍角區受力明顯加大。因此，本橋除按照常規的設計方法對結構進行配筋設計外，根據其受力特點，在配筋設計上具有特殊性，在設計上應予以重視。

圖5　“主力”荷載工況下L橋的Mxx彎矩內力(單位：kN·m)

(1)梁體鈍角區應力集中

圖6　中跨板頂應力(單位：MPa)

通過計算分析得出斜交剛架橋頂板跨中出現較大的拉應力，剛架連續梁的墩、梁固結處，承受主梁板的負彎矩及墩梁斜交引起的斜彎及扭矩，故在墩、梁固結處梁板的鈍角區出現應力集中，在中跨側尤為明顯，應力分布見圖6、圖7。為了解決鈍角區局部應力集中問題，鈍角處應適當增大配筋，配置鋼筋網，控制應力以滿足規范要求。

圖7　中跨板底應力(單位：MPa)

(2)邊墩與梁體結合處隅角配筋

本橋邊墩與梁體固結，邊墩較中墩增加了承受側向土壓力荷載，使該隅角區域受力較大，在配筋設計中需要注意通節點外緣鋼筋必須繞過隅角后方可錨固，并根據計算增加主筋及其他鋼筋布置，以解決局部應力集中的問題。

4　結論

(1)多孔剛架橋結構屬于超靜定結構，因此控制混凝土收縮、溫度變化效應對結構產生附加力的影響對該類橋梁的設計意義重大，在施工條件允許的情況下，采取對結構分段澆筑是一種有效解決該問題的方法。

(2)受既有結構的限制影響，結構形式比較特殊，樁基礎容易出現上拔力。為了解決這一難題，本橋在設計中通過調整基礎及樁基的布置形式，找到了解決該問題的最優方案。

(3)本橋受力比較復雜，在配筋設計中，需要考慮鈍角區應力集中問題及墩梁固結角隅處受力，對該區域加強配筋。

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