斜交框架橋配筋設計

蔣歡

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 引言

隨著我國現代化進程不斷向前推進，城市建設得到極大的發展。目前，鐵路跨越公路市政道路一般采用框架橋結構[1，2]。框架橋指由頂板、底板、邊墻和多跨情況下的中墻組成的封閉框架，頂板主要承受鐵路荷載，底板主要承受公路、人行等荷載。

2 斜交框架橋配筋設計方法

目前，鐵路正交鐵路框架橋經常采用簡化算，沿橫橋向取單位長度，按平面框架結構建立模型，將活載、恒載、土壓力、汽車行人荷載等簡化為分布荷載作用于結構上，對框架進行結構計算并配置鋼筋[3，4]。對于斜交框架也往往采用此類似方法，只不過將計算跨度采用正截面跨度除以斜交角的余弦；邊墻采用剛度相等原理把單位長度內斜交框架邊墻轉換為正框架邊墻；頂底板梗腋長度除以斜交角余弦。但斜交框架橋屬于空間結構，隨著角度的增大由兩側土壓力所引起的扭矩也會越來越大，已經變得不能再被忽略。因此，有必要建立斜交框架橋空間模型對其內力進行分析，并根據其分析結果進行鋼筋配置[5]。

3 框架橋結構尺寸

建立同一跨度不同角度的框架橋模型來計算并分析其結構內力并配筋情況。其結構尺寸詳見表1。

表1 框架橋結構尺寸

4 Midas Civil

4.1 荷載

根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》4.1 條規定，將荷載分為恒載、活載、附加力以及特殊荷載?？蚣軜蚪Y構中的荷載示意圖如圖1 所示。

圖1 框架橋結構中的荷載示意圖

4.1.1 恒載

對框架結構其作用的恒載有：混凝土結構自重，混凝土收縮徐變，頂板上線路設備、道砟、填土引起的荷載，框架橋兩側土壓力[6-8]。本次建模框架橋均按無填土設計。

4.1.2 活載

活載主要有：列車活載，活載引起的土壓力，橫向搖擺力。框架橋內汽車及人行以及水壓力荷載對框架橋受力有利，因此，建模時未計入此類荷載。活載引起的側向土壓力僅計列單側。

4.1.3 附加力

附加力主要包括：制動力或牽引力，溫度變化作用。制動力與行車方向一致，牽引力與行車方向相反。

4.1.4 特殊荷載特殊荷載主要包括：列車脫軌荷載、地震力等。本文建模均不考慮特殊荷載。

4.1.5 荷載組合

荷載組合：列車、活載土壓力、搖擺力、制動力、溫度等作用對框架橋結構的各個部分的最大、最小內力等最不利效應的影響是不同的。在荷載組合時要考慮到所有的可能組合：（1）恒載+搖擺力+單向活載土壓力；（2）恒載+列車活載+搖擺力；（3）恒載+列車活載+搖擺力+單向活載土壓力；（4）以上各種組合疊加溫度效應和制動力。

4.2 建模

根據框架橋分節情況，模型橫橋向長度均取8 m，采用上述荷載組合形式進行加載。模型底部采用受壓彈簧模擬彈性地基。各框架橋模型分割單元數詳見表2。

表2 框架橋模型分割單元

4.3 結果分析

圖2 為框架橋主彎矩示意圖，分析所有框架橋的主彎矩示意圖可以看出：

圖2 框架橋主彎矩示意圖

1）斜交框架橋上會有彎矩、扭矩及剪力作用，這與正交框架橋相同，但斜交框架橋扭矩會隨著斜交角度的增加而增大，而且最大跨內縱向彎矩會比同等跨度的正交框架橋?。?/p>

2）頂板、底板內力分布不均勻，邊墻與頂底板連接處內力也比較大；

3）最大縱向彎矩發生鈍角部位附近，且形狀不對稱，斜交角度越大越靠近鈍角。

5 鋼筋配置

5.1 利用Midas Civil計算結果配筋

選取Midas Civil 最不利的荷載組合情況，沿縱橋向選取單位長度（單位：m）結構進行配筋設計。鋼筋采用HRB400 鋼筋。

1）跨中最大彎矩和支撐邊最大彎矩取相同值。

2）主筋配置方向主要與斜跨長與框架正截面跨度比關,當比值大于1.25 時或者小于0.7 時，主筋沿橋軸線方向布置；當比值在0.7 和1.25 之間時，可沿支承邊垂線方向配置鋼筋。

3）分布鋼筋布置方向則與框架橋斜交角度有關，根據以往經驗，斜交角度＜15°時，分布鋼筋沿框架橋邊墻方向配置。當角度＞15°時，一般采用沿與橫橋向垂直的方向布置，但有時為施工便利也可沿橋邊墻方向配置。

4）在鈍角附近應配置加強鋼筋。

根據以上配筋原則并結合以往設計經驗決定：（1）分布鋼筋沿橋邊墻方向布置，直徑采用16 mm，間距20 cm，在靠近邊墻位置適當降低間距。（2）框架橋主筋均按橋軸線方向布置，頂、底板主筋數量根據主彎矩配置，并視框架橋頂底板彎矩情況向下或向上彎起?？蚣軜虻菇翘幵O置斜筋。邊墻內外側豎向鋼筋采用直徑為16 mm。箍筋直徑采用10 mm。表1 內框架橋主筋配置情況詳見表3。

表3 主筋配置詳表

5.2 平面框架分析并配置鋼筋

利用某框架橋配筋軟件，此軟件對斜交框架橋采用的基本計算方法為平面框架的分析方法。其配筋結果詳見表4。

表4 主筋配置詳表

通過表3 和表4 可以明顯看出：利用平面框架橋方法計算斜交框架橋并配筋，其鋼筋配置會明顯偏大，且隨著斜交角度的增加計算偏差會越來越大。

6 結語

斜交框架橋不同于正交框架橋，屬于空間結構，結構受力復雜，規律難尋。

1）斜交板在受到均布力的情況下依然會出現較大扭矩。因此，對于斜交特別是大角度斜交的框架橋，如繼續采用平面框架的計算方法進行計算并配筋，必然是不合理的。

2）隨著斜交角度的增大空間效應而產生的內力也會增大，在斜板的鈍角角隅處會出現較大的反力和剪力，銳角角隅處則出現較小的反力，甚至會出現翹起。當斜交角度＞15°時應該考慮在框架橋鈍角處配置鈍角加強筋。

3）隨著斜交角度的增大框架橋兩側的土壓力產生的扭矩越來越大，尤其是斜交角度＞15°時，應建立斜交框架橋的空間計算模型，正確分析結構受力特征，考慮其所有內力分布情況，并針對設計要求，采取合理的配筋方案，可以明顯降低工程造價。