张唐铁路小跨度连续刚架桥分析研究

张珍

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300142）

0 前言

桥跨结构的主梁与墩台整体相连的结构叫做刚架桥。该结构墩梁固结，既不设支座，减小后期养护维修费用，又在施工中不用进行体系的转换，在小跨度结构或既有铁路增二线时，该桥型具有广泛的应用前景。目前国内对刚架桥研究的论文（见参考文献[4-7]）中对无桥台斜腿刚架桥进行了论述，主要对桥型、设铰形式、边中跨比等方面进行了研究分析 ，文献［8］对板拱组合刚架桥的施工关键技术进行了详细阐述，文献［9］就某一公路工点分别进行了整体现浇连续板、连续刚架、箱型框架方案对比，而关于铁路桥中采用连续刚架设计介绍的相关文献甚少。本文以新建张家口至唐山铁路工程中 8 m+16 m+8 m 连续刚架桥为工程背景，借助有限元软件 MIDAS，采用板单元建立斜交连续刚架桥的梁部和刚壁墩有限元分析模型，利用该模型提取内力并采用 ASC 进行配筋，结果表明所采用钢筋混凝土结构尺寸能够满足使用要求，可为同类工点的结构尺寸拟定及结构设计提供一定的思路及有效的设计方法。

1 工程概况

1.1 线路条件

本工点位于新建张唐铁路与既有京哈铁路并行地段，为跨越 102 国道而设。既有京哈铁路为双线，位于直线上，线间距 4.3 m。张唐铁路的上下行联络线分别位于既有京哈铁路两侧，均为单线，位于直线上，与既有京哈铁路左、右线的线间距分别为 5.4 m、5.3 m；纵向位于上坡段，左线坡度3.2‰，右线坡度 3.7‰。

1.2 结构情况

连续刚架桥位于直线上，分左右两联，两联孔跨均为 8m+16m+8m，与既有京哈铁路 8m+16m+8m框构对孔接长，结构斜交法向角度为 19°。

2 结构尺寸

梁部采用单线变截面实体板梁，左联桥面宽5.22 m，右联桥面宽 6.77 m，跨中梁高均为 0.85 m，墩顶梁高 1.55 m，主梁全长 33.84 m。4 个桥墩均为刚壁墩，其根部梗胁高 0.7 m，刚壁墩墩高 4.8 m，1、4 号墩墩壁厚斜长 0.85 m，2、3 号墩墩壁厚斜长0.69 m。桥型立面布置见图1。

3 结构计算分析

3.1 有限元模型

本桥采用 Midas Civil 程序进行建模，利用四节点厚板单元，建立斜交连续刚架桥的梁部和刚壁墩模型。平面板单元纵向按 1 m 左右、横向按0.5 m 左右进行划分，基础约束边界条件按弹性约束进行分析，弹性约束是在刚壁墩墩底节点上加上 6 个方向弹簧刚度(以墩横向划分的节点数量均匀分配刚度)以模拟基础的弹性变形，主梁及刚壁墩均采用板单元模拟，见图2。

3.2 荷载组合

荷载主要是活荷载，设计过程中对连续刚架桥的恒载、活载、不均匀沉降、混凝土收缩及徐变、温度应力等进行了综合考虑。荷载组合共计 16 种工况，见表1。

3.3 基础刚度的处理

本结构模型为考虑桩-土相互作用，采用桩基计算程序 RBCAD 计算出基础弹性约束刚度。为保守计算，对于梁体，采用 0.5 倍基础刚度提取内力；对于刚壁墩，采用 2 倍基础刚度提取内力并检算配筋。

图1 桥型立面图（单位：cm）

图2 主桥有限元分析模型

表1 荷载工况组合

3.4 模型结果分析

3.4.1 内力及变形图示

内力及变形图示见图3～图10。

3.4.2 结构钢筋布置

图3 恒载内力图（MMax）

图4 活载1内力图（MMax）

图5 主力1内力图（MMax）

图6 主+附11内力图（MMax）

图7 整体升温变形图（m）

图8 整体降温变形图（m）

图9 顶板升温变形图（m）

图10 活载1变形图（m）

降温和收缩采用的荷载模式相同，都是单元温度降低，纵向配筋考虑所有工况组合，提取内力弯矩进行截面纵向配筋。纵向划分为 11 个区域，进行截面配筋。本工点边墙处顶板为主+附 1 控制，中跨跨中处底板配筋为主力 1 工况控制。由此可以看出，竖向荷载和降温均对刚架产生纵向弯曲效应，但是竖向荷载控制中跨跨中弯矩，结构整体收缩控制边墙附近弯矩。

根据结构不同部位的受力特点，将本桥划分为边墙、边跨中、中墙和中跨中四个区域进行横向配筋计算。配筋结果见表2。

由于刚壁墩和梁体固结，桥墩分担了一部分弯矩，在薄壁墩两侧设置竖向的受弯钢筋。墩梁连接处的加腋配置 HRB400 钢筋，直径 28 mm，与墩、梁钢筋配置相协调，保证二者连接处平滑过渡，防止产生应力集中。

表2 横向配筋表

4 设计施工的对接

4.1 地基处理

本工点梁部结构采用满布膺架现浇法施工，支架设计必须牢固支架施工须保证地基有足够强度，并采取相应措施。若为旧沥青或混凝土路面，可在支架底脚铺设枕木防止不均匀沉降；若为土质基础，需对地基处理至密实碾压的砂石土或砾石土，其强度不得低于 0.3 MPa；且应加高支架处地基标高或设混凝土罩面层以考虑雨水或过水冲刷对支架基础的影响。

4.2 合拢方式

混凝土的浇筑应自梁端向跨中连续进行。为减小混凝土收缩对刚壁墩及基础产生的不利影响，中跨合拢温度应控制在 5℃～15℃。

4.3 墩梁固结处处理

小跨度连续刚架桥桥墩均较薄，墩梁固结处设计时均设加腋进行处理，该处受力复杂，除了应配足计算需要的配筋外，施工时桥墩浇筑接缝应远离墩梁固结处至少 1 m。

5 结论

（1）刚架桥的墩梁为刚性连接，既可以降低结构高度，又可以减小跨中弯矩，从而减少钢筋用量。

（2）采用薄壁墩与梁固结，全桥不设支座，整体结构在施工中不用进行体系的转换，给施工及运营带来方便。

（3）能够节省投资造价，费用上既可节省昂贵的支座装置，又可以减小后期养护维修费用。

（4）板单元模型精度较高，能够模拟结构以达到设计要求，本文所提出的模拟方法可广泛应用于小跨度但净高要求比较高的跨城市立交的铁路桥。

[1] 铁道第三勘察设计院.桥梁设计通用资料[M].北京:中国铁道出版社,1993.

[2] TB10002.3-2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[3] TB10002.1-2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[4] 王国鼎.无桥台斜腿刚架桥[J].公路,2000(3):26-29.

[5] 高荣雄.无桥台斜腿刚架桥的设铰方法[J].公路,2000(10):1-3.

[6] 金文成,高荣雄.无桥台斜腿刚架桥的优化[J].公路,2000(7):1-3.

[7] 王昌武.无桥台斜腿刚架桥特性分析[J].公路,2000(8):50-52.

[8] 吴加山.浅谈钢筋混凝土板拱刚架桥施工要点 [J].北方交通,2008(7):109-110.

[9] 吴海波.钢筋混凝土整体现浇连续板桥、连续刚架桥、箱形框架桥桥型方案比较分析[J].交通世界,2008(11 上):159-162.

[10] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社.2001.