2×20m连续刚构 -框架墩体系设计研究

2011-08-03肖登平

铁道标准设计 2011年7期

关键词：墩柱纵梁横梁

肖登平

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

1 概况

某既有线上跨道路立交,斜交角度约为 22.65°。由于斜交角度较小,且受到桥下净空限制,采用 2×20 m连续刚构 -框架墩结构,即纵梁与框架墩横梁相交并固接,降低结构高度。主桥桥型布置见图1。

2 技术标准

(1)线路:双线Ⅰ级铁路,线间距 4.4m,主桥平面位于 R=5 500m的曲线上;

(2)设计恒载:结构构件自重按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)采用;二期恒载按 167.4 kN/m计算;支座不均匀沉降按 3mm考虑;

(3)设计活载:中活载;

(4)设计行车速度:列车最高运行速度 200 km/h;

(5)地震烈度:7度震区(地震动峰值加速度为0.1g),反应谱特征周期值 Tg=0.35 s;

(6)体系温度根据当地气候采用 +25℃,-20℃。日照温差的影响参照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002◦3—2005)之附录 B执行;

(7)环境:一般大气条件下无防护措施的地面结构,环境类别为碳化锈蚀环境 T1、T2级。

环境条件按野外一般条件计算,相对湿度取70%。

3 主桥结构设计

本工点桥梁结构采用连续刚构 -框架墩结构,联长 2×20.66m,主纵梁和框架墩横梁固接。结构如图2、图3、图4所示。

(1)主纵梁为 2-20 m预应力混凝土连续箱梁,梁长 41.32m,采用单箱单室结构,梁高 1.8m,梁面宽12m,顶底板厚 30 cm,腹板由跨中 50 cm至梁端支点105 cm渐变,横向支座中心距为 4.9m,边跨支点到梁端 0.55m。根据维修养护的需要,在梁端底板设置0.25m×1.5m的槽口。为减少槽口的应力集中,在槽口设置半径为 250mm的倒角。梁部腹板外侧与底板相交处采用R=20 cm圆弧倒角过渡;悬臂板与腹板相交处采用 R=75 cm园弧倒角过渡。

主纵梁采用单向预应力体系,混凝土强度等级C50。主纵梁中支点截面上缘共布置 6束15-7φ5mm通长钢束,下缘布置 6束 15-7φ5mm通长钢束、6束12-7φ5mm短钢束,两侧腹板布置 12束 17-7φ5mm通长钢束。纵向预应力钢束均采用 OVM系列锚具,金属波纹管成孔,两端张拉。

(2)框架墩横梁柱中心距跨度 13m,梁高 2.1m,横梁与京哈改线正交布置,横梁高 2.1m,宽 3.2m。

横梁为实体矩形截面,预应力钢筋混凝土结构,C50混凝土,横梁跨中截面上缘共布置 2束 15-7φ5 mm通长钢束,下缘布置 3束 15-7φ5mm通长钢束,17束 12-7φ5mm通长钢束。横向预应力钢束均采用OVM系列锚具,金属波纹管成孔,两端张拉。

(3)框架墩立柱高 7m;采用矩形截面,截面尺寸2.2m×1.8m,采用钢筋混凝土结构。

(4)3号墩基础为桩基础,每根立柱下采用 5根φ1.25m桩基础。

(5)支座采用 TGPZ盆式橡胶支座。

(6)线形控制:按预施应力后 60 d铺设二期恒载,二期恒载上桥后 6个月开始运营计算,恒载 +静活载的最大竖向变形小于L/1 600,故不设置预拱度。

图1 全桥布置(单位:cm)

图2 主纵梁 1/2立面(单位:cm)

4 施工方法

采用支架现浇法施工,先施工基础、框架墩柱;再浇筑墩柱顶部 2m以内段落、横梁混凝土,主梁先浇段混凝土,待混凝土达到设计强度,张拉横梁钢束;最后浇筑主梁后浇段混凝土,待混凝土达到设计强度,张拉纵梁钢束。

5 结构计算分析

采用西南交大“桥梁结构分析系统 BSAS4.26”程序,采用结构分离,通过考虑有效宽度折减,不同荷载组合(计算荷载包括恒载、活载、支座不均匀沉降、温度变化、预加应力、混凝土收缩、徐变影响等)、体系转换的影响等进行平面结构验算。同时用 MIDAS空间程序整体结构分析计算进行校核,空间计算模型见图5。

主梁和框架墩横梁固接处的强度安全是设计的主要控制因素,因此,对该区域的局部应力和构造措施进行分析和研究。通过建立空间模型,对主梁和框架墩横梁固接处结构在各种加载工况下做有限元计算。从而为优化结构设计和钢筋配置提供重要依据。主梁和框架墩横梁固接区域内的刚臂区域模拟,通过对梁单元模型中主梁刚域内采用约束纵向转角的主从约束,横梁刚域内采用约束横向转角的主从约束来实现。同时计算考虑刚域和不考虑刚域两种情况,进行了结果对照,考虑刚域后总体竖向刚度提高了约 3倍。由于考虑刚域效应后,梁单元模型更接近于实际情况,对竖向挠度有分担的效益,对竖向刚度有提高作用。

框架墩为超静定结构,基础的刚度和不均匀沉降非常敏感。基础刚度较大时,主梁、框架墩横梁设计不安全,墩柱和基础设计较困难;基础刚度较小时,主梁、框架墩横梁设计较困难,墩柱和基础设计不安全;所以对于结构不同的部位,需根据实际基础布置采用不同的基础刚度进行验算。本结构主梁、框架墩横梁设计采用 1倍的基础刚度验算,墩柱和基础设计采用 3倍的基础刚度验算。

图4 纵梁跨中截面(单位:cm)

图5 空间模型

5.1 基础刚度计算(表1)

采用桩基计算程序 RBCAD,基础配置 5根 1.25m桩计算。

表1 基础刚度计算 kN/cm

5.2 空间结构的刚度拆分计算

1倍基础刚度计算结果见表2。

5.3 结构整体特性计算(表3、表4)

根据振型判断第四阶频率为竖向基频,满足规范要求,20m简支梁 80/20=4Hz。

表2 主梁与框架墩横梁固接点刚度 kN/cm

表3 静活载作用下梁体变形

表4 主梁动力特性

5.4 主纵梁计算分析

(1)采用 Midas软件,对空间模型和单独的框架墩和主梁平面模型分别计算纵横梁结构刚度,实现空间结构的刚度分离;然后采用平面计算程序 BSAS软件建立平面主梁模型,将横梁刚度简化为弹性支撑作用在主梁上,纵横梁固接节点处增加考虑横梁的恒载和温度变化的节点位移,让固接节点位移协调一致,验算主梁。

(2)主力作用下,主梁上、下缘的正应力如图6、图7所示(Midas计算)。

图6 主力作用纵梁上缘的正应力(单位:kPa)

图7 主力作用纵梁下缘的正应力(单位:kPa)

(3)主力 +附加力作用下,主梁上、下缘的正应力如图8、图9所示(Midas计算)。

图8 主力+附加力作用纵梁上缘的正应力(单位:kPa)

图9 主力+附加力作用纵梁下缘的正应力(单位:kPa)

各种工况下的应力主要计算结果见表5。通过计算结果可以得出,恒荷载(包括结构自重和二期恒荷载)在设计中起到了主导的因素。纵梁的正截面都处于受压状态,最大压应力 13.4MPa。

表5 主梁截面验算计算结果(BSAS软件验算)

5.5 横梁计算分析

(1)采用平面计算程序 BSAS软件建立平面框架墩模型,验算横梁时,将主梁刚度简化为弹性支撑作用在横梁上,同时在横梁上加载纵横梁固接节点处的支座反力。

(2)主力作用下,纵梁上、下缘的正应力如图10、图11所示(Midas计算)。

图10 主力作用横梁上缘的正应力(单位:kPa)

图11 主力作用横梁下缘的正应力(单位:kPa)

(3)主力 +附加力作用下,纵梁上、下缘的正应力如图12、图13所示(Midas计算)。

图12 主力+附加力作用横梁上缘的正应力(单位:kPa)

图13 主力+附加力作用横梁下缘的正应力(单位:kPa)

各种工况下的应力主要计算结果见表6。由计算结果可以看出,横梁的正截面基本上也都是处于受压的状态。横梁与纵梁相交处的局部应力,因采用杆系模型的模拟缺陷计算存在着一定程度上的失真。

表6 横梁截面验算计算结果(BSAS软件验算)

5.6 框架墩柱计算分析

墩柱设计采用 3倍的基础刚度,地震荷载作用下按照 B类结构设计,地震放大系数取 1.5,墩柱底截面控制设计,截面验算采用的控制工况内力如下:顺桥向弯矩 My=6171kN◦m,横桥向弯矩 Mx=4206kN◦ m,轴向力 N=6236kN,剪力 Q=1336kN。按照钢筋混凝土结构验算配筋,立柱采用单筋布置,直径 28mm,间距 10cm。