斜交框构桥设计要点的探讨

2011-01-22柴桂红

铁道标准设计 2011年11期

柴桂红

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

随着铁路运输行业和城市的不断发展,控制铁路选线条件愈加复杂,铁路与公路、铁路与铁路互跨现象越来越多。框构桥由于具有建筑高度低、断面轻巧,总体布置灵活,对地基承载力要求低,抗震性能好,整体性能好,施工方便,在城市道路穿越铁路立交工程中或在铁路既有桥改造工程中,被广泛采用。结合东北东部铁路通道大连铁路枢纽改造工程金北联框构桥工程实例探讨斜交框构设计中应注意的几个要点。

1 工程概况

1.1 线位概述

东北东部铁路通道大连铁路枢纽改造工程金北联框构小桥为改哈大左线、丹大左、右线上跨货物上、下行联络线而设,为既有哈大左线上跨既有金城货运线框构改扩建工程,各线位平面布置详见图1。线路相对关系详见表1。

表1 线位关系

1.2 设计方案

根据跨越两线交角,框构夹角可采用45°,经过方案比较及受力分析,两联框构均采用1—14 m,斜交30°,以减小结构的尖角产生的应力集中。改哈大左线框构横向长度为33.3 m,丹大正线框构横向长度为35.88 m,基底置于σ0=1 200 kPa的石灰岩上。框构平面布置详见图1,立面布置详见图2。

图1 框构方案平面布置

图2 框构方案立面(单位：cm)

2 有限元模型

为便于分析,对改哈大左线框构采用MIDAS分析软件建立空间有限元模型,进行结构受力分析。框构采用板单元,结构基底采用面弹性支撑模拟弹性地基,在基底与支撑面之间加弹性连接,弹性支撑刚度为竖向地基系数C0。在基底中央节点加顺桥向、横桥向水平约束,基底中央沿横桥向所有节点加顺桥向的水平约束。计算模型如图3所示。计算荷载包括恒载、列车活载、制动力、混凝土收缩徐变、温度效应、恒载土压力、活载土压力、不均匀沉降等,根据可能出现的情况采用以下几种荷载组合进行分析。

图3 MIDAS有限元模型

组合1：恒载+顶板中活载+制动力+混凝土收缩徐变+恒载土压力+活载土压力；

组合2：组合1+底板单线行车；

组合3：组合1+底板双线行车；

组合4：组合3+升温25 ℃；

组合5：组合3+降温30 ℃。

3 设计要点

该框构斜交角度较小,设计中重点考虑了以下几个要点。

3.1 顶、底板钝角区应力集中

通过计算分析得出在上述各组合工况作用下,斜交框构顶板、底板跨中均出现较大的拉应力,且较大主拉应力分布区域偏向钝角区方向,应力分布详见图4、图6。在顶板顶面、底板底面钝角区范围内出现较大的拉应力,具体应力分布详见图5、图7。对于斜交框构桥,顶板最大弯矩不在跨中而偏向钝角侧。为了解决钝角区局部应力集中问题,钝角处应适当增大配筋,配置钢筋网,控制主拉应力以满足规范要求。

图4 顶板板底应力图(单位：kPa)

图5 顶板板顶应力图(单位：kPa)

图6 底板板顶应力图(单位：kPa)

图7 底板板底应力图(单位：kPa)

3.2 路基与框构桥衔接

为确保行车舒适性,框构桥与路基连接处,设计应满足：在中-活载作用下,路基与桥梁过渡处梁端转角不应大于θ=3×10-3rad的要求,本框构经计算得梁端转角θ=0.116×10-3rad,小于3×10-3rad。由于框构斜交角度小,部分枕木处于软硬不均状态,对运营及养护不利,因此与框构相衔接的路基过渡段应设置圬工转正体结构,使边线与线路垂直,以保证刚度的平顺过渡。

3.3 结构主体不均匀沉降

横向结构尺寸较大的框构,为避免不均匀沉降,横向宜分节,但有些框构考虑结构受力及行车平顺的需要,不便于分节。因此,控制基础沉降,避免沉降不均匀而产生结构次内力从而危及结构及行车安全至关重要。设计时应结合桥位处的地质情况,对框构及路基过渡段的地基采取控制沉降措施。关于框构基础沉降量控制值,规范中没有明确规定,应结合沉降对结构产生的附加应力的影响确定。

为了探讨地质条件和地基沉降的关系,对给定地基竖向地基系数C0分别为50、70、90、110、130、150、170、200 MPa/m3时框构锐角区对角线连线方向的底板变形值进行计算分析。通过对上述各假定C0值计算结果分析得出,沿框构对角线方向底板竖向变形值随着C0值的增大而逐渐减小,框构底板的竖向变形值沿对角线中点向两侧呈逐渐增大趋势,C0值越小框构中心与对角点的变形差值越大。以主力组合工况为例,各变形值相对关系如图8所示。

图8 竖向变形与框构底板锐角区对角连线关系

为探讨地质条件对结构内力的影响,本文对给定地基竖向地基系数C0分别为50、110、200 MPa/m3时框构进行了配筋计算,并进行同截面配筋对比,对比截面的位置如图9所示。

图9 配筋截面位置示意(单位：m)

通过对比得出C0值对框构顶板上缘、边墙内缘配筋情况无影响,配筋对比情况见表2、表7。C0值对框构顶板下缘、底板上下缘、边墙外缘配筋影响较大,C0值越小,顶板下缘跨中范围、底板上、下缘跨中范围、边墙外缘墙底范围所需配筋截面面积越大,配筋对比情况见表3～表6；而框构底板上、下缘边墙支点范围、边墙外缘墙顶范围所需配筋截面面积则随C0值的增大而呈增加趋势,配筋对比情况见表4～表6；C0值对顶板上缘边墙支点范围配筋未见影响,配筋对比情况见表4。

表2 顶板上缘配筋对比

表3 顶板下缘配筋对比

表4 底板上缘配筋对比

表5 底板下缘配筋对比

表6 边墙外缘配筋对比

表7 边墙内缘配筋对比

因此,对于桥址处地质较差的沉降不满足要求的框构,应进行地基处理。通常采用的地基处理方法有换填垫层法、水泥粉煤灰碎石桩法、水泥搅拌桩法、高压喷射注浆法、灰土挤密桩法和土挤密桩法等,使用时应根据荷载大小及使用要求结合地形地貌、地层结构、土质条件、地下水特征、环境情况和对邻近建筑的影响等因素进行综合分析,确定处理方法。

3.4 框体受扭严重

框构斜交角度小,框体受扭严重,易引起轨面不平顺,如图10、图11所示。设计过程中采用下列标准对框构主体扭曲变形进行控制,即：活载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺,以1段3 m长的线路为基准,1线2根钢轨的竖向相对变形量不应大于1.5 mm。否则应适当加大结构尺寸,以提高框构整体刚度。本框构通过计算得1线2根钢轨的竖向相对变形量为0.8 mm,满足要求。

图10 顶板扭矩图(单位：kN·m)

图11 底板扭矩图(单位：kN·m)

3.5 框构主体混凝土裂缝控制

混凝土结构裂缝的成因复杂,为多种因素相互影响,但每条裂缝均有其产生的1种或几种主要原因。一般认为,混凝土结构裂纹产生有设计因素和施工因素2个方面。

设计过程中一般采用增加构造钢筋的方法来提高框构结构的抗裂性。对有可能出现较大温度应力的部位,应适当增大构造配筋。同时构造配筋宜按照“细、密”的原则,即尽可能选用直径小的钢筋小间距布置。且在框构桥的倒角处适当加强构造钢筋的配置。纵向钢筋数量配置不足是顶板产生顺桥向裂缝的另外一个原因。同时设计时不应忽略横桥向(顺公路线路垂直铁路线路方向)强度的验算,但不同工点的外荷载也不尽相同,应根据具体的工程特点适当考虑,避免由于横向强度验算的疏忽造成结构的安全隐患。

施工时应从原材料、浇筑、振捣、养护等方面对施工质量进行严格控制,避免因施工因素而导致混凝土产生裂缝。