铁路弹性地基梁设计计算

摘要：弹性地基梁为近年来高速铁路不良地基段常用的一种弹性梁板结构形式，通过无碴轨道为例进行展示了弹性地基梁的计算方法及步骤，平面软件桥梁博士及空间软件SAP的计算相互补充，有效的结合，使我们的理论计算可靠步骤清晰，有效的展示了铁路弹性地基梁的受力特点和设计要点。

关键词：弹性地基梁平面计算空间计算刚性支撑

中图分类号：TU972文献标识码： A

高速铁路的轨道结构分为两种形式，即有碴轨道和无碴轨道，这里以无碴轨道为例进行计算。

弹

一、荷载类型及相关参数

1、活载

活载采用UIC活载或ZK特载。

冲击系数

2、二期恒载

二期恒载偏于安全考虑按曲线，根据弹性地基梁的横断面，初步估算

q＝100KN/m

单线q＝100/2＝50KN/m计算

3、局部分布荷载

（1）系梁自重引起荷载

在系梁宽度范围内（2.0m）

q＝0.5*2.0*1.7*25/2/2.0＝10.6KN/m

4、横向计算二期恒载

q＝50*3.0/3.3＝45.45KN/m

5、整体升温、整体降温

整体升温按20°，整体降温按20°。

6、非线性温度

按顶板和底板温度相差5°进行计算。

二、计算模型

合理桩间距的选择是基于以下方面：

1、边界条件

无论采用平面模型还是空间模型，计算弹性地基梁的各项指标，对于桩基的支承条件，按铰结、刚性支承分别考虑。

2、梁高

参考国外高速铁路，弹性地基梁按60cm高度进行计算。

3、悬臂长度

（1）桩间距不受地基梁联与联的影响，也就是说采用地基梁结构的相当长的范围内，桩与桩是等间距的，包括联与联沉降缝两侧的桩基。

（2）悬臂的最小长度按桩基采用直径60cm的摩擦桩之间的最小间距，即2.5*0.65/2＝0.81m，取悬臂0.85m。

三、计算方法及步骤

1、平面计算

平面计算程序采用了《桥梁博士》，UIC活载按特载施加，均布荷载部分按轴距1.0m，轴重80KN计算。平面计算模型见下图。

平面计算图式如下：

图3-1平面计算模型

2、空间计算

空间计算程序采用sap90，桩基支承采用空间桁架单元TRUSS模拟，弹性地基梁采用SHELL单元模拟。活载采用BRIDGE程序段进行计算，由于没有UIC模块，因此采用轻轨模块模拟UIC活载。

对于悬臂部分的内力和位移，从影响线来看，没有异号区域，因此，即使采用轻轨活载模拟UIC，对于均布荷载部分不能任意截取，但计算结果的精度也可满足工程要求。

空间计算模型见下图。

图3-2 跨度200cm空间模型

（1）基础资料

梁长取24.7m，横向3排桩，间距200mm。

混凝土：C35

钢筋：Ⅱ级钢筋

（2）抗弯及抗裂计算

部分主要截面的弯矩值见表7。

表7 弹性地基梁截面弯矩值

弹性地基梁埋在土中，开裂后，梁内钢筋比较容易受腐蚀，想要提高结构的耐久性，按弹性地基梁的裂缝值控制在小于0.1mm。经过初步计算，弹性地基梁的配筋量由裂缝控制。考虑发生不均匀沉降1.0mm采用直径32mm的钢筋，间距10mm（共33根），钢筋最大拉应力101MPa，裂缝0.095mm。

抗剪计算（基于40×40cm钢筋混凝土方桩）

单支承对地基梁的直接剪切检算

τ＝Q/A＝625/（4*0.4*0.5）＝787KPa＜〔τc＝1220KPa，C35混凝土〕

支承处主拉应力检算

σ＝Q/(b*Z)＝1862/（3.3*0.48）＝1175.5KPa

主拉应力介于〔820KPa，2210KPa〕之间，需要配置抗剪钢筋。假设主拉应力完全由箍筋承担，计算箍筋的肢数。根据《规范》要求，每一个箍筋一行受拉钢筋不能超过5根，受压钢筋不能超过3根，计算取箍筋16肢，相当8个箍筋，每个箍筋所箍受压钢筋3根，取箍筋间距7.5cm。计算结果如下：

从计算结果可以看出，箍筋可以承担主拉应力1278KPa＞1175.5KPa，不需要配置斜向钢筋。

从上表计算可以看出，箍筋完全承担主拉应力，需要间距7.5cm，距离比较小，考虑增加箍筋直径为16mm，箍筋间距采用10cm，计算结果见下表：

依据计算结果，只要配置箍筋就可满足要求，但箍筋间距过密、直径偏大，配筋方式的可操作性不理想，因此为了保证结构的安全性，提高可操作性，应该按照梁的配筋习惯，配用斜筋结合箍筋共同抗剪。

按GBJ10-89计算冲切

μm＝4*（0.4+0.5）＝3.6m

ft＝1750KPa（按JTJ023-85 30号混凝土取值）

0.6* ft*μm*h0＝0.6*1750*3.6*0.5＝1890KN＞Ft＝625KN

依据上述计算结果，根据GBJ10-89计算冲切，不必配置抗剪箍筋或斜筋。

（4）局部抗压计算

A=（0.3+0.2）*（0.3+0.2）＝1.0m2

Ac＝0.4*0.4＝0.16 m2

β＝＝2.5

容许局部压应力

〔σc-1〕＝10.3*2.5＝25.75MPa

局部压应力

σ＝625/（0.4*0.4）＝3.91MPa＜＜〔σc-1〕

局部抗压不控制设计。

依据检算的结果，弹性地基梁的结构尺寸和混凝土等级基本满足了承载力和使用的要求。但是由于高速铁路的重要性，对结构的耐久性也有很高的要求， 注意提高混凝土强度等级及增加混凝土保护层厚度，同时要优化抗剪钢筋的配置方式及设置抗冲切和局部抗压的钢筋。

四、小结：

借鉴国内外高速铁路经验，可以看出，采用支撑于桩基础上的弹性地基梁来代替土质路堤是比较有效的办法。弹性地基梁结构具有技术条件优越、造价低廉、施工方便的特点，具有一定的实用价值，通过对弹性地基梁的计算，展示了高速铁路弹性地基梁的结构形式，桩间距的布置及悬臂板的悬臂长度，展示了平面软件桥梁博士及空间软件SAP的计算相互补充，有效的结合传统的手工公式计算，使我们的理论计算可靠步骤清晰，有效的总结了铁路弹性地基梁的受力特点和设计要点，对此类工程有一定的参考意义。

参考文献：

[1].《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）

[2].《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5-2005）

[3].《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》（TB10002.4-2005）

[4].《铁路特殊路基设计规范》（TB10035—2002）

[5].《铁路路基设计规范》（TB10001-99）

[6].《新建时速200-250公里客运专线铁路设计暂行规定》（铁建设〔2005〕140号）

作者简介：李玉柱，男，1977年生，2003年毕业于兰州交通大学桥梁工程专业，本科，供职于中铁第五勘察设计院工程咨询公司，工程师。