張唐鐵路小跨度連續剛架橋分析研究

張珍

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津市 300142）

0 前言

橋跨結構的主梁與墩臺整體相連的結構叫做剛架橋。該結構墩梁固結，既不設支座，減小后期養護維修費用，又在施工中不用進行體系的轉換，在小跨度結構或既有鐵路增二線時，該橋型具有廣泛的應用前景。目前國內對剛架橋研究的論文（見參考文獻[4-7]）中對無橋臺斜腿剛架橋進行了論述，主要對橋型、設鉸形式、邊中跨比等方面進行了研究分析 ，文獻［8］對板拱組合剛架橋的施工關鍵技術進行了詳細闡述，文獻［9］就某一公路工點分別進行了整體現澆連續板、連續剛架、箱型框架方案對比，而關于鐵路橋中采用連續剛架設計介紹的相關文獻甚少。本文以新建張家口至唐山鐵路工程中 8 m+16 m+8 m 連續剛架橋為工程背景，借助有限元軟件 MIDAS，采用板單元建立斜交連續剛架橋的梁部和剛壁墩有限元分析模型，利用該模型提取內力并采用 ASC 進行配筋，結果表明所采用鋼筋混凝土結構尺寸能夠滿足使用要求，可為同類工點的結構尺寸擬定及結構設計提供一定的思路及有效的設計方法。

1 工程概況

1.1 線路條件

本工點位于新建張唐鐵路與既有京哈鐵路并行地段，為跨越 102 國道而設。既有京哈鐵路為雙線，位于直線上，線間距 4.3 m。張唐鐵路的上下行聯絡線分別位于既有京哈鐵路兩側，均為單線，位于直線上，與既有京哈鐵路左、右線的線間距分別為 5.4 m、5.3 m；縱向位于上坡段，左線坡度3.2‰，右線坡度 3.7‰。

1.2 結構情況

連續剛架橋位于直線上，分左右兩聯，兩聯孔跨均為 8m+16m+8m，與既有京哈鐵路 8m+16m+8m框構對孔接長，結構斜交法向角度為 19°。

2 結構尺寸

梁部采用單線變截面實體板梁，左聯橋面寬5.22 m，右聯橋面寬 6.77 m，跨中梁高均為 0.85 m，墩頂梁高 1.55 m，主梁全長 33.84 m。4 個橋墩均為剛壁墩，其根部梗脅高 0.7 m，剛壁墩墩高 4.8 m，1、4 號墩墩壁厚斜長 0.85 m，2、3 號墩墩壁厚斜長0.69 m。橋型立面布置見圖1。

3 結構計算分析

3.1 有限元模型

本橋采用 Midas Civil 程序進行建模，利用四節點厚板單元，建立斜交連續剛架橋的梁部和剛壁墩模型。平面板單元縱向按 1 m 左右、橫向按0.5 m 左右進行劃分，基礎約束邊界條件按彈性約束進行分析，彈性約束是在剛壁墩墩底節點上加上 6 個方向彈簧剛度(以墩橫向劃分的節點數量均勻分配剛度)以模擬基礎的彈性變形，主梁及剛壁墩均采用板單元模擬，見圖2。

3.2 荷載組合

荷載主要是活荷載，設計過程中對連續剛架橋的恒載、活載、不均勻沉降、混凝土收縮及徐變、溫度應力等進行了綜合考慮。荷載組合共計 16 種工況，見表1。

3.3 基礎剛度的處理

本結構模型為考慮樁-土相互作用，采用樁基計算程序 RBCAD 計算出基礎彈性約束剛度。為保守計算，對于梁體，采用 0.5 倍基礎剛度提取內力；對于剛壁墩，采用 2 倍基礎剛度提取內力并檢算配筋。

圖1 橋型立面圖（單位：cm）

圖2 主橋有限元分析模型

表1 荷載工況組合

3.4 模型結果分析

3.4.1 內力及變形圖示

內力及變形圖示見圖3～圖10。

3.4.2 結構鋼筋布置

圖3 恒載內力圖（MMax）

圖4 活載1內力圖（MMax）

圖5 主力1內力圖（MMax）

圖6 主+附11內力圖（MMax）

圖7 整體升溫變形圖（m）

圖8 整體降溫變形圖（m）

圖9 頂板升溫變形圖（m）

圖10 活載1變形圖（m）

降溫和收縮采用的荷載模式相同，都是單元溫度降低，縱向配筋考慮所有工況組合，提取內力彎矩進行截面縱向配筋。縱向劃分為 11 個區域，進行截面配筋。本工點邊墻處頂板為主+附 1 控制，中跨跨中處底板配筋為主力 1 工況控制。由此可以看出，豎向荷載和降溫均對剛架產生縱向彎曲效應，但是豎向荷載控制中跨跨中彎矩，結構整體收縮控制邊墻附近彎矩。

根據結構不同部位的受力特點，將本橋劃分為邊墻、邊跨中、中墻和中跨中四個區域進行橫向配筋計算。配筋結果見表2。

由于剛壁墩和梁體固結，橋墩分擔了一部分彎矩，在薄壁墩兩側設置豎向的受彎鋼筋。墩梁連接處的加腋配置 HRB400 鋼筋，直徑 28 mm，與墩、梁鋼筋配置相協調，保證二者連接處平滑過渡，防止產生應力集中。

表2 橫向配筋表

4 設計施工的對接

4.1 地基處理

本工點梁部結構采用滿布膺架現澆法施工，支架設計必須牢固支架施工須保證地基有足夠強度，并采取相應措施。若為舊瀝青或混凝土路面，可在支架底腳鋪設枕木防止不均勻沉降；若為土質基礎，需對地基處理至密實碾壓的砂石土或礫石土，其強度不得低于 0.3 MPa；且應加高支架處地基標高或設混凝土罩面層以考慮雨水或過水沖刷對支架基礎的影響。

4.2 合攏方式

混凝土的澆筑應自梁端向跨中連續進行。為減小混凝土收縮對剛壁墩及基礎產生的不利影響，中跨合攏溫度應控制在 5℃～15℃。

4.3 墩梁固結處處理

小跨度連續剛架橋橋墩均較薄，墩梁固結處設計時均設加腋進行處理，該處受力復雜，除了應配足計算需要的配筋外，施工時橋墩澆筑接縫應遠離墩梁固結處至少 1 m。

5 結論

（1）剛架橋的墩梁為剛性連接，既可以降低結構高度，又可以減小跨中彎矩，從而減少鋼筋用量。

（2）采用薄壁墩與梁固結，全橋不設支座，整體結構在施工中不用進行體系的轉換，給施工及運營帶來方便。

（3）能夠節省投資造價，費用上既可節省昂貴的支座裝置，又可以減小后期養護維修費用。

（4）板單元模型精度較高，能夠模擬結構以達到設計要求，本文所提出的模擬方法可廣泛應用于小跨度但凈高要求比較高的跨城市立交的鐵路橋。

[1] 鐵道第三勘察設計院.橋梁設計通用資料[M].北京:中國鐵道出版社,1993.

[2] TB10002.3-2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].

[3] TB10002.1-2005,鐵路橋涵設計基本規范[S].

[4] 王國鼎.無橋臺斜腿剛架橋[J].公路,2000(3):26-29.

[5] 高榮雄.無橋臺斜腿剛架橋的設鉸方法[J].公路,2000(10):1-3.

[6] 金文成,高榮雄.無橋臺斜腿剛架橋的優化[J].公路,2000(7):1-3.

[7] 王昌武.無橋臺斜腿剛架橋特性分析[J].公路,2000(8):50-52.

[8] 吳加山.淺談鋼筋混凝土板拱剛架橋施工要點 [J].北方交通,2008(7):109-110.

[9] 吳海波.鋼筋混凝土整體現澆連續板橋、連續剛架橋、箱形框架橋橋型方案比較分析[J].交通世界,2008(11 上):159-162.

[10] 項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京:人民交通出版社.2001.