下穿鐵路斜交框架橋受力分析

趙　勇(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)Force Analysis of the Railway Skew Frame BridgeZHAO Yong

下穿鐵路斜交框架橋受力分析

趙勇(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)Force Analysis of the Railway Skew Frame BridgeZHAO Yong

摘要鐵路斜交框架立交橋是鐵路跨越公路時采用的一種橋梁形式。目前，斜橋計算理論尚未形成完整的理論體系，這給鐵路斜交框架立交橋的設計與施工帶來一定的困難。采用有限元軟件對下穿鐵路框架橋進行空間建模分析，得出鐵路斜交框架橋的空間受力特點，進而對鐵路斜交框架橋鋼筋布置提出幾點要求，并將相關結論要求運用于工程實例中。

關鍵詞框架橋斜交板單元受力分析

1工程概況

工程所處位置為河南省濮陽市郊區(qū)，濮陽西車站范圍內(nèi)。該區(qū)域地形平坦，既有湯臺線北側(cè)為耕地，南側(cè)為已建成的晉豫魯鐵路通道。幸福路下穿既有鐵路采用(7+2×12.5+7)m頂進框架橋。頂進前需對既有線進行注漿加固并施工防護樁、抗移樁、后背樁，頂進時對既有線采用縱橫梁體系進行加固。

本次設計道路橫斷面為3.5 m(人行道)+3.5 m(非機動行道)+1.85 m(綠化帶)+12.5 m(機動車道)+1.0 m(隔離帶)+12.5 m(機動車道)+1.85 m(綠化帶)+3.5 m(非機動行道)+3.5 m(人行道)，調(diào)整后的道路寬度43.7 m。設計按照機動車道凈高不小于5 m，非機動車道凈高不小于3.5 m考慮。非機動車道南北雙向均設置3.5 m限高架。

2結構簡化分析

框架橋平面布置如圖1。

由圖1知：該橋斜角角度為24°，《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中僅指出斜交板橋斜度小于或等于15°時，可按正交板計算[2]，然而該橋斜交角度大于15°。相關資料中指出，對于>15°，特別是>30°的情況，不能直接簡化為平面框架計算，因為實體結構中空間效應而產(chǎn)生的內(nèi)力增大，例如在斜板的鈍角部位及板的跨中等位置，其內(nèi)力都比平面框架計算結果要大很多。因此，需建立斜交框架橋的空間模型，對荷載和約束在空間上進行簡化，研究結構的空間力學行為特性。

3建模分析

3.1　荷載

(1)恒載

主要包括：結構自重，鋼軌、枕梁、道砟等重量。

(2)活載

列車：中-活載(2005)ZH標準(Z=1.2)；汽車：城-A級；活載土壓力。

(3)附加力

混凝土收縮徐變、溫度變化的作用等。

3.2　結構模型

工程結構框架橫斷面如圖2，兩側(cè)小箱體為人行及非機動車道，中間大箱體為行車道，兩箱體之間設置沉降縫。

以中間行車道箱體為研究對象，利用有限元軟件MIDAS Civil2012建模分析，研究其空間受力特性。結構有限元模型如圖3。

模型中結構均采用板單元模擬，板的面內(nèi)外厚度均采用實際厚度，底板豎向與地基之間的約束采用節(jié)點彈性支承，約束Z方向位移，在底板兩側(cè)約束端施加水平方向較小剛度的彈性支承。

3.3　荷載組合

(1)恒載+列車+兩側(cè)活載土壓力；

(2)恒載+兩側(cè)活載土壓力；

(3)恒載+列車+單側(cè)活載土壓力；

(4)恒載+單側(cè)活載土壓力；

(5)恒載+汽車+兩側(cè)活載土壓力；

(6)恒載+列車+汽車+兩側(cè)活載土壓力。

3.4　結果分析

經(jīng)計算分析得，框架橋在最不利荷載組合下位移、內(nèi)力及最大主應力如圖4、圖5、圖6。

最不利荷載組合下結構最大豎向位移發(fā)生在頂板銳角自由邊跨中附近，最大豎向位移為4.86 mm。圖6中凸箭頭表示最大正彎矩。凹箭頭表示最大負彎矩，箭頭的長短代表彎矩值的大小。最大正負彎矩分別在頂板跨中和中腹板頂部位置，大小分別為610.7 kN·m、412.5 kN·m，頂?shù)装迮c腹板連接處內(nèi)力也比較大，頂?shù)装逯鲝澗胤较蚺c自由邊的夾角從自由邊到中部逐漸增大，到中部時基本與支承軸線垂直。

由圖7、圖8、圖9知：頂板上層受拉，下層受壓，底板由于地基支承作用，受力狀況與之相反；頂、底板的鈍角區(qū)域存在較大應力。

經(jīng)以上分析可知，該斜交框架橋的受力特點如下：

①結構最大位移發(fā)生在頂板銳角自由邊上，設計時應注意該處撓度的控制。

②結構內(nèi)力分布的不均勻主要在發(fā)生在頂?shù)装迮c腹板連接位置。

③頂板彎矩在1/8～1/4板跨位置較小，最大正彎矩發(fā)生在跨中區(qū)域，最大彎矩值的連線與板跨中心線存在一定的夾角，趨近于板鈍角位置的連線方向。

④頂?shù)装遄畲髴l(fā)生在靠近鈍角位置。

斜交框架橋區(qū)別于正交框架橋，因其承受彎矩和扭矩的共同作用，設計中應取其最不利荷載情況進行分析，根據(jù)跨中及支承邊的內(nèi)力大小、主彎矩方向及板的幾何特征來確定配筋方案。

通過上述分析，并聯(lián)系實際應用，對于該橋，板在跨中及中腹板頂部截面位置為配筋設計控制截面，主筋采用通長布置，沿主彎矩方向布置最為合理，分布鋼筋與之垂直。但由于該橋斜交角度并不大，主彎矩方向與板跨中心線夾角很小，結合實際情況，可以按主筋平行于板自由邊，分布鋼筋平行于支承軸線布置。頂?shù)装迮c腹板連接處內(nèi)力較大，故在結構構造上采用倒角過度，且拐角處加強配筋；鈍角區(qū)域應設置局部加強鋼筋。

4結論

斜交框架橋與一般正交框架橋不同，應根據(jù)具體的斜交角度進行簡化分析，不能直接簡單簡化為平面框架結構；斜交框架橋的鋼筋布置需經(jīng)計算分析后確定，應著重于板在跨中、腹板連接處及鈍角區(qū)域受力情況，還要注意頂?shù)装迮浣罘绞降牟煌@樣才能針對不同的實際工程情況采用合理的配筋方式。

參考文獻

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[10]陶紅紅.鐵路站場下頂進大跨度框架橋設計與施工技術[J].鐵道勘察，2004(3)

《鐵道勘察》編輯部

2015年

中圖分類號：U24

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)06-0091-03

作者簡介：趙勇(1983—)，男，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學院橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-10-30