簡支道岔梁設計

朱先意

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 工程概況

該橋是某鐵路工程新建的一座特大橋，為雙線橋變四線橋。最寬的一孔道岔梁采用10片簡支T梁，橋面寬20.7 m，梁長24.6 m。道岔梁上橫向設置10個支座，支座均位于各T梁腹板中心位置。

2 設計原則

結構形式:橋梁計算跨度為24 m，全長24.6 m，梁高2.5 m，軌底至梁底建筑高度為3.2 m;中梁頂寬1.7 m，邊梁頂寬2.2 m，下緣寬均為0.98 m。

道岔布設要求:道岔設在簡支梁上時，應滿足道岔活動部分(尖軌、心軌)不跨越梁縫，且應盡量遠離梁縫，尖軌和心軌尖端距梁端距離均不小于2.5 m。橋面橫向應為整體式結構，即道岔側股不應跨越縱向梁縫。橋梁橫向布置如圖1所示。

2.1 設計技術標準

全線標準:設計時速120 km的重載鐵路，雙線有砟軌道，設計活載“中－活載(2005)之ZH活載”。地震基本烈度為6度。

圖1 橋梁橫向布置(單位:mm)

2.2 材料及主要參數

(1)混凝土

采用 C55混凝土，E=3.6e4 MPa，偏心受壓［σb］=16.8 MPa。

(2)鋼絞線

縱向預應力鋼筋采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，公稱面積140 mm2，執行GB/T5224—2003標準。

3 整體模型計算

3.1 Midas梁格劃分

采用空間梁格法對多片道岔T梁進行分拆。梁格劃分時，沿腹板中心線將梁部結構劃分為10個縱梁，縱梁的慣性矩按繞上部結構主軸計算。取跨中代表區域內的箱梁剛度，分別計算縱梁的扭轉和彎曲剛度及剪切面積。

3.2 Midas梁格模型

梁格分拆的有限元模型和消隱的實體如圖2所示。10根縱梁間利用間距為4.0 m的橫隔梁連接，橫隔梁剛度計算中采用細腹板連接的兩矩形實體截面模擬。

圖2 整體有限元模型

3.3 計算結果

(1)結構自振頻率

自振頻率限值按照《鐵路橋涵設計基本規范》(TB 10002.1—2005)第5.1.3條預應力混凝土梁執行。道岔梁的計算自振頻率如表1所示。

表1 結構動力特性

計算跨徑為24 m的簡支梁，豎向自振頻率限值為n0=23.2=23.58×24－0.592=3.593 Hz，豎向自振頻率滿足設計要求。

(2)結構變形及剛度

梁體的豎向撓度計算采用中—活載(2005)之ZH活載，四線橋取1線與2線、1線與3線、2線與4線、道岔與4線、1線與2線及3線活載的最大值，豎向撓度計算最不利結果為2線與4線的活載組合。計算撓跨比結果為1/4 214，滿足豎向撓跨比限值1/3 300。

在中—活載(2005)之ZH活載作用下，最大梁端轉角為2線和4線組合下活載，最大向下轉角0.705×10－3rad，最大向上轉角 0.682×10－3rad，滿足“在活載作用下，梁端豎向折角不應大于1.5‰”的設計要求。

在列車橫向搖擺力、風力和溫度的作用下，梁體的水平撓度為0.126 mm，撓跨比則為1/190 476，主橋橫向剛度滿足“梁體的水平撓度應不大于梁體計算跨度的1/4 000”的設計要求。

(3)運營荷載下混凝土應力

根據《鐵路鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)第 6.3.10、6.3.11條的要求，混凝土構件的正截面混凝土的應力及斜截面混凝土的主拉應力應滿足如下要求。

壓應力:σc≤0.5fc=0.5×37.0=18.5 MPa

主拉應力:σct≤0.7fct=0.7×3.3=2.31 MPa

縱梁采用PSC截面，計算的運營荷載下各截面的正應力、剪應力和主應力如表2所示。

表2 主梁設計應力 MPa

(4)支反力

各支座反力見圖3。各工況最大、最小反力見表3。

圖3 主力組合支點反力

表3 各工況支點反力kN

4 縱向計算

4.1 模型介紹

本橋為單跨24 m簡支道岔梁，采用西南交通大學橋梁分析軟件BSAS計算，模型如圖4所示。

4.2 主要計算成果

圖4 縱向計算

表4 截面應力 MPa

運營階段截面應力如表4所示。應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3－2005)第6.4.13、6.4.14條的要求。

運營階段截面強度如表5所示。

5 橫向設計及計算結果

5.1 橫向模型介紹

表5 截面強度

(1)主梁變形及剛度驗算

活載作用下的撓度值:

靜活載作用下最大撓度值－5.97 mm(向上變形為“+”，向下變形為“－”)，為跨度的1/4 020.1(小于1/3 300)，比整體模型計算結果1/4 214稍大，結構安全。

恒載撓度值及預拱度設置:

恒載作用下引起的最大撓度值9.63 mm(向上變形為“+”，向下變形為“－”)，靜活載引起的豎向撓度為－5.97 mm。預拱度按(恒載+1/2活載)撓度值反向設置，理論計算跨中預拱度值為6.645 mm(向下)，其他位置按二次拋物線過渡。

(2)梁端豎向折角和工后徐變

在活載作用下，梁端豎向折角為0.793‰ ＜1.0‰(rad)。

本設計二期恒載上橋時間按預加應力后90天計算，理論計算殘余徐變拱度值為2.61 mm，小于限值20 mm，滿足要求。

(3)施工階段溫度組合檢算結果

施工階段混凝土應力驗算根據橋規 TB10002.3—2005的第6.4.4條進行，本橋張拉預應力時混凝土強度已達到標準強度的100%，故壓應力允許值0.75fck

'=0.75×1.00×37.0=27.75 MPa，拉應力允許值0.70ftk

'=0.70×1.00×3.30=2.31 MPa。從計算結果可見，施工階段混凝土未產生拉應力，最大壓應力為11.26 MPa＜27.75 MPa，滿足規范要求。

(4)架橋機運架梁檢算結果

架橋機運梁階段滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預

按不同頂板與腹板厚度分類，順橋向取單位長度的主梁梁體，簡化成框架，模型單元采用梁單元，邊界條件為在各腹板中心線處簡支。

根據分析，跨中截面最為不利，截面左右對稱，取其左半部對其分析。懸臂端部厚0.32 m，懸臂根部厚0.42 m，腹板厚度為0.36 m，縱向長度取1.0 m。

縱向取1 m梁段，按照支撐設在腹板底端的橫向框架為結構模型，采用橋梁結構專用有限元程序進行計算。橫向共71個節點，70個單元，單元劃分見圖5。

圖5 單元離散圖

5.2 橫向荷載分布

采用以下組合進行控制截面處的應力檢算。

組合1:自重+二期恒載+收縮徐變+列車荷載;

組合2:自重+二期恒載+收縮徐變+脫軌荷載2(向左脫軌);

組合3:自重+二期恒載+收縮徐變+脫軌荷載2(向右脫軌)。

5.3 截面檢算

截面橫向受力分別按圖6取控制截面處進行，按規范進行應力和裂縫檢算。

圖6 單元離散圖

根據受力特點用受彎構件進行檢算。

經計算最不利荷載組合下的檢算結果為荷載組合3，如表6所示。

通過以上結果可知，主梁在最不利組合下的各項指標均符合規范要求。

表6 檢算結果

6 結束語

通過對10片道岔區T梁的整體有限元分析與采用梁單元的縱向分析的撓度指標相比較，梁單元程序計算的撓度值略大于整體有限元的計算結果，采用梁單元程序對結構進行強度應力分析偏于安全。

本梁的設計滿足了站場道岔軌道布置，為簡支橋梁上設置道岔提供了實例，具有較好的經濟、社會效應，對類似道岔梁設計提供了參考。

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