某铁路大跨度斜交预应力框构桥设计体会

薛 锐

随着铁路建设的大发展,框构桥被大量采用。框构桥作为下穿铁路的立交形式具有比较明显的优点,其外形轻巧,整体性好,不受道岔限制。对于穿越已建成的铁路路基段,框构桥采用顶进法施工,线路加固后具有不中断行车,不修便线的优点。由于材料性能和现场灌注条件的限制,通常工程中采用的框构孔径为8m～20m,为普通钢筋混凝土结构。本次设计的框构跨径 23m,与被交路斜交 30°,跨径大,斜交,顶板实际长度26.715m,因此考虑采用预应力结构。

1 尺寸拟定及模型建立

框构桥横截面尺寸拟定是一个试算过程,根据以往经验,本次设计顶板拟厚 1.7m;底板的厚度根据地基情况一般比顶板厚,本次设计底板拟厚 1.9m,侧墙的厚度可略小于顶板厚度,本次设计侧墙拟厚1.6m。

本次设计分析采用大型有限元MIDAS分析软件,按照拟定尺寸输入空间结构:1)采用厚板单元离散框构结构,即DKME(Discrete Kirchhoff-Mindlin Element);2)采用桁架单元模拟预应力钢筋对结构受力性能的影响,预应力钢筋的张拉通过赋予桁架单元初始拉力荷载方式模拟;3)采用梁单元模拟加劲肋对结构刚度的贡献。

2 结构力学模型简化

对于边界条件的选择,即土与结构相互作用应根据本次工程的地质报告提供的地质资料,参照规范进行选取及模拟。

2.1 支撑条件

将框构结构与地基之间的相互作用根据温克尔地基模型进行简化。根据地勘资料表明,地表下 40多米范围内置于砂岩层,框构结构埋深在 1.2m～14.3m,根据经验法值,中等密室土砂土,本项目中取用基床反力系数取为200 000 kN/m。

2.2 周围土体与结构的相互作用简化

将框构结构侧墙所受周围的土体作用简化为土侧压力,静土压力标准值计算参照《公路桥涵设计通用规范》,即:

本项目考虑到静止土压力是沿着墙高成线性分布的,所以使用软件提供的流体压力加载,软件中计算,压力垂直于结构物表面作用于结构,荷载分布使用线性荷载,如图 1所示。

其中,压力荷载分布规律为:

将软件中荷载分布规律计算公式与《公路桥涵设计通用规范》中静止土压力标准值计算公式相对比,则:Ρ0与框构结构埋置深度有关,即:

g与土的容重和静土压力系数有关,即:

现取用:土的重力密度为20 kN/m3,内摩擦角取 70°。

3 预应力模拟

框构桥顶板跨度为 26.715m,将在顶板上均匀布置预应力钢束。分析中将预应力钢筋使用采用具有初始张力的桁架单元模拟,为模拟预应力钢筋与混凝土两种材料之间的相互作用,将桁架单元与板单元使用在节点处具有相同的自由度来模拟,以将预应力效应表现到结构中。

3.1 输入桁架单元的初始张拉力

初始张拉力为:预应力钢筋中有效预应力与钢筋截面积的乘积。

有效预应力值应为锚下张拉控制应力扣除台座工作锚具变形、预应力钢筋回缩及分批放张预应力钢筋引起的应力损失值。

为准确计算预应力钢筋中的有效预应力,将使用梁单元进行模拟框构结构受力分析,然后取每束预应力钢筋中的有效预应力加到模型中;根据项目情况,选用预应力钢束规格为 1×(12φj, 15.2)和 2×(9φj,15.2);沿顶板均匀布置束。钢束横断面布置见图2。

3.2 预应力钢束线型的描述,该分析中使用直线线型

设计根据框构结构内力分布规律,进行预应力钢束的竖弯,以减小预应力钢束对框构角隅处负弯矩区的影响。

4 计算荷载

计算荷载包括恒载(自重、二期恒载、恒载土压力等)、活载及附加力(温度升降等)。框构桥的移动活荷载分析计算中,分别在顶板及底板使用车道面加载方式加载公路荷载和铁路荷载。依据本次设计原则,参照《公路桥涵设计通用规范》进行移动活荷载分析,荷载标准采用公路—Ⅰ级荷载标准;参照《铁路桥涵设计基本规范》进行铁路列车竖向静活载分析。

4.1 冲击系数处理

根据《公路桥涵设计通用规范》中 4.3.2.2条,在本次分析中无需计入活荷载对结构的冲击作用。

在MIDAS/CIVIL软件中,定义“移动荷载分析控制数据”时,程序会自动考虑冲击系数的计算,因此在程序参数输入时,“移动荷载工况”中,“系数”填写为:

4.2 铁路列车竖向静活载加载

在施加铁路列车竖向静活载车道面加载时,需考虑列车荷载实际上通过具有一定规格的轨道施加到结构上的,其车道面加载有其特殊性。

分析中考虑铁路列车荷载加载的特殊性,在“车道面”设置时,分别将“车道宽度”和“W车轮距离”设置为 1.435m,即我国直线标准轨距1.435m。

5 分析与结论

5.1 应力验算

在荷载长期效应组合情况下,截面上下缘均处于完全受压状态。根据JTG D 62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第 6.3.1的要求,σlt-σpc≤0,可见顶板大部分单元法向拉应力在荷载长期效应组合的条件下满足规范要求。

在荷载短期效应组合情况下,板单元截面上缘、下缘均没有出现拉应力。根据JTG D 62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第6.3.1的要求,σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65= 1.855MPa,可见框构结构顶板单元法向拉应力在荷载短期效应组合的条件下满足规范要求。

在荷载标准值组合情况下,截面最大主压应力为 7.91MPa。根据JTG D 62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第7.1.6的要求,σcp≤0.6 fck=0.6×32.4=19.44MPa,可见框构结构顶板单元的主压应力在荷载标准值组合的条件下满足规范要求。

在荷载标准值组合情况下,截面上缘最大压应力为 7.81MPa,下缘最大压应力为2.90MPa。根据JTG D 62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第7.1.5要求,σkc+σpt≤0.5fck= 0.5×32.4=16.2MPa,可见框构预应力顶板单元的法向压应力在荷载标准值组合的条件下满足规范要求。

在荷载短期效应组合情况下,截面最大主拉应力值为1.20MPa。根据JTG D 62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第6.3.1的要求,σtp≤0.5ftk=0.5×2.65= 1.325MPa,可见框构结构顶板单元的主拉应力在短期效应组合的条件下满足要求。

5.2 强度验算

分析中,将框构结构作为弹性体进行受力分析计算,所以,将框构桥的应力破坏标准为:结构中主应力不能超过混凝土轴心抗压强度设计值fcd和轴心抗拉强度设计值ftd,即:fcd=22.4MPa和ftd=1.83MPa,则:主拉应力云图表明,框构结构单元应力大部分在拉应力0.1MPa～1.1MPa,压应力在-7.9MPa～-0.1 MPa,可见,框构结构整体强度能得到保证。

6 结语

1)框构桥的横向分布长度及横向分布形式对框构桥的内力影响较大,尤其跨径大,角度斜交的框构,因此本次设计首次在框构桥中引入了预应力。2)预应力框构桥与普通混凝土框构桥的区别较大,需要空间建模分析,计算中注意预应力的模拟。3)由应力云图可以看出,跨中控制应力是本次设计的重点及难点,需要同时考虑跨中截面强度、截面应力以及挠度,本次设计均满足要求,安全可靠。4)本次预应力框构的成功设计为铁路框构桥的设计打开了一条新思路,为斜交大跨径需特殊设计的框构桥树立了样本,其经验值得推广。

[1] 铁道标准设计,铁路框构桥设计[S].

[2] 王立新.顶进大孔径框构桥铁路架空方案的设计及其施工[J].铁道建筑技术,2009(2):30-32.

[3] 赵文婷.斜支框构桥开裂的有限元分析[J].山西建筑, 2010,36(11):348-349.