鐵路斜交剛架橋設計與分析

景斌

(錦州鐵道勘察設計院有限公司,遼寧錦州 121000)

鐵路斜交剛架橋設計與分析

景斌

(錦州鐵道勘察設計院有限公司,遼寧錦州 121000)

通過斜交剛架橋的設計,介紹斜交剛架橋的設計原則和技術參數的選用,采用空間有限元分析方法,對結構進行計算分析,為類似工程設計提供設計參考。

鐵路 剛架橋 設計

隨著鐵路工程的發展，鐵路與道路、溝渠交叉情況越來越復雜。特別是受j結構高度限制的立交及斜交溝渠，采用斜交剛架結構可以很好的滿足工程功能需要，并較大的節約工程造價。本文通過對鐵路斜交框架橋設計過程介紹，總結本類橋梁設計過程中的設計原則及注意事項，為類似工程提供設計參考。

1 工程實例

東北地區某新建雙線鐵路，與既有溝渠斜交75度，施工期間溝渠不能中斷，受其它因素影響，最終采用1-20m斜交剛架橋跨越，較好的滿足了工程需要。

主要技術標準如下：

(1)線路等級：國鐵I級；設計速度：160km/h；直線，線間距5．0m。

(2)荷載：中-活載。二期恒載160KN/m(雙線)。

橋址范圍內，表層為粗角礫土，之下為石英砂巖。地震基本烈度8度，動峰值加速度0．2g。

場地類別為II類，最大凍結深度1．5m。

本橋采用鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C45，頂板厚1．20m，側墻厚1．20m。側墻與頂板相交處采用加腋構造，橋寬13．0m。2．5m寬2．0m高承臺，承臺下設單排端承樁，樁徑2．0m，樁間距2．5m。

2 結構模型

圖1

表1

2.1 模型介紹

采用空間有限元程序MIDAS軟件建立上部結構模型，頂板、側墻及承臺采用板單元模擬，樁基采用梁單元模擬。按照《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB 10002．5-2005)附錄D的方法，按節點彈性支承模擬樁基的側向邊界條件，樁基基底按固結考慮，將樁基模擬到實際模型中。

整體模型如圖1：

2.2 荷載組合

設計按以下組合檢算結構作用：

荷載組合(恒載包括：自重、二期恒載、收縮、徐變、基礎變位)

(1)主力組合：恒載＋活載＋橫向搖擺力。

(2)主力＋縱向附加力組合：主力＋制動力＋溫度荷載。

(3)多遇地震力組合(特殊荷載)：恒載＋列車豎向靜活載＋多遇地震作用＋50%靜荷載橫向效應。

(4)罕遇地震力組合(特殊荷載)：恒載＋列車豎向靜活載＋罕遇地震作用＋50%靜荷載橫向效應。

結構溫度影響按整體升溫按+25℃，整體降溫按-25℃計算。橋面板非線性溫度變化按頂板升溫10℃考慮，并考慮非線性溫度負效應。混凝土收縮按降溫15℃考慮。

單側基礎不均勻沉降按5mm考慮。

3 計算過程

3.1 側墻基礎樁基設計

根據本橋地質情況，初步擬定為端承樁，樁長為10m，樁徑2．0m，樁間距2．5m。按此情況將樁基情況模擬進模型。

計算得樁基反力及內力，并對此樁基檢算是否滿足要求。若不滿足，則對樁基布置進行修改，并從新計算，直至滿足要求。

3.2 上部結構內力分析

根據剛架橋的受力特性，選取以下截面檢算結構內力：

頂板檢算截面為：頂板角偶處截面；頂板厚度變化處截面；跨中截面。

側墻檢算截面為：側墻角偶處截面；側墻底截面進行檢算。

根據模型計算，內力云圖如圖2：

圖2

由圖可以看出，頂板最大正彎矩出現在跨中，最大負彎矩出現在角偶區域。根據內力的分布情況，與線路方向垂直斷面內力大小較為一致，鈍角處內力較其他位置偏大。

側墻下端內力較為一致，側墻上端則與頂板鈍角對應位置內力較大。

故在配筋計算時鈍角位置宜進行局部加強處理。

3.3 上部結構變形分析

根據規范，鋼筋混凝土結構截面剛度按0．8倍EI計算。在列車豎向靜活載、溫度力作用下的跨中豎向撓度為最大值為7．176mm＜L/ 1400=15．6mm，滿足規范設計要求。

由計算模型得主梁最大豎向位移16．376mm。根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》當由恒載及靜活載引起的豎向撓度等于或小于15mm或跨度的1/1600時，可不設預拱度。

故本橋需要設置預拱度，跨中處的預拱度(上拱)為：

恒載+1/2靜活載=11．716+2．33=14．046mm。

邊墻頂預拱度為0，之間按二次拋物線過渡。

通過計算側墻頂及基礎頂剛度如表1：

滿足規范設計要求。

3.4 地震力分析

框架橋為整體結構，抗震性能較好，抗震薄弱位置為側墻底部，在設計計算中需要對其進行抗震設計。

4 設計注意事項

(1)斜交剛架橋的受力較為復雜，不同于框架橋及梁式橋，對基礎情況的模擬尤為重要，不同的基礎情況，不僅關系的基礎自身的內力計算，而且會對頂板及側墻的受力產生影響。

(2)斜交剛架橋鈍角區域內力較大，且斜交角度越大，增大值越大。故在配筋計算時必須對相應區域進行加強。

5 結語

(1)斜交剛架橋可以有效的滿足特殊情況下的功能需求，對既有道路或溝渠影響較小。并且造價相對較低，有較好的應用前景。

(2)設計過程中的難點在于基礎邊界條件的擬定，可根據實際地質情況設置適宜的基礎形式。并可選用不同的基礎剛度對結構內力進行包絡計算，增大設計安全系數。

[1]《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB1000 2.3-2005).

[2]《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002.5-2005).

[3]范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社.2001.

[4]杜振華.沈軼勇.斜交剛構橋的空間有限元分析[J].鐵道勘測與設計.2011.04.