下穿铁路斜交框架桥受力分析

2015-02-11中铁工程设计咨询集团有限公司北京100055ForceAnalysisoftheRailwaySkewFrameBridgeZHAOYong

铁道勘察 2015年6期

赵　勇(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)Force Analysis of the Railway Skew Frame BridgeZHAO Yong

下穿铁路斜交框架桥受力分析

赵勇(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)Force Analysis of the Railway Skew Frame BridgeZHAO Yong

摘要铁路斜交框架立交桥是铁路跨越公路时采用的一种桥梁形式。目前，斜桥计算理论尚未形成完整的理论体系，这给铁路斜交框架立交桥的设计与施工带来一定的困难。采用有限元软件对下穿铁路框架桥进行空间建模分析，得出铁路斜交框架桥的空间受力特点，进而对铁路斜交框架桥钢筋布置提出几点要求，并将相关结论要求运用于工程实例中。

关键词框架桥斜交板单元受力分析

1工程概况

工程所处位置为河南省濮阳市郊区，濮阳西车站范围内。该区域地形平坦，既有汤台线北侧为耕地，南侧为已建成的晋豫鲁铁路通道。幸福路下穿既有铁路采用(7+2×12.5+7)m顶进框架桥。顶进前需对既有线进行注浆加固并施工防护桩、抗移桩、后背桩，顶进时对既有线采用纵横梁体系进行加固。

本次设计道路横断面为3.5 m(人行道)+3.5 m(非机动行道)+1.85 m(绿化带)+12.5 m(机动车道)+1.0 m(隔离带)+12.5 m(机动车道)+1.85 m(绿化带)+3.5 m(非机动行道)+3.5 m(人行道)，调整后的道路宽度43.7 m。设计按照机动车道净高不小于5 m，非机动车道净高不小于3.5 m考虑。非机动车道南北双向均设置3.5 m限高架。

2结构简化分析

框架桥平面布置如图1。

由图1知：该桥斜角角度为24°，《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中仅指出斜交板桥斜度小于或等于15°时，可按正交板计算[2]，然而该桥斜交角度大于15°。相关资料中指出，对于>15°，特别是>30°的情况，不能直接简化为平面框架计算，因为实体结构中空间效应而产生的内力增大，例如在斜板的钝角部位及板的跨中等位置，其内力都比平面框架计算结果要大很多。因此，需建立斜交框架桥的空间模型，对荷载和约束在空间上进行简化，研究结构的空间力学行为特性。

3建模分析

3.1　荷载

(1)恒载

主要包括：结构自重，钢轨、枕梁、道砟等重量。

(2)活载

列车：中-活载(2005)ZH标准(Z=1.2)；汽车：城-A级；活载土压力。

(3)附加力

混凝土收缩徐变、温度变化的作用等。

3.2　结构模型

工程结构框架横断面如图2，两侧小箱体为人行及非机动车道，中间大箱体为行车道，两箱体之间设置沉降缝。

以中间行车道箱体为研究对象，利用有限元软件MIDAS Civil2012建模分析，研究其空间受力特性。结构有限元模型如图3。

模型中结构均采用板单元模拟，板的面内外厚度均采用实际厚度，底板竖向与地基之间的约束采用节点弹性支承，约束Z方向位移，在底板两侧约束端施加水平方向较小刚度的弹性支承。

3.3　荷载组合

(1)恒载+列车+两侧活载土压力；

(2)恒载+两侧活载土压力；

(3)恒载+列车+单侧活载土压力；

(4)恒载+单侧活载土压力；

(5)恒载+汽车+两侧活载土压力；

(6)恒载+列车+汽车+两侧活载土压力。

3.4　结果分析

经计算分析得，框架桥在最不利荷载组合下位移、内力及最大主应力如图4、图5、图6。

最不利荷载组合下结构最大竖向位移发生在顶板锐角自由边跨中附近，最大竖向位移为4.86 mm。图6中凸箭头表示最大正弯矩。凹箭头表示最大负弯矩，箭头的长短代表弯矩值的大小。最大正负弯矩分别在顶板跨中和中腹板顶部位置，大小分别为610.7 kN·m、412.5 kN·m，顶底板与腹板连接处内力也比较大，顶底板主弯矩方向与自由边的夹角从自由边到中部逐渐增大，到中部时基本与支承轴线垂直。

由图7、图8、图9知：顶板上层受拉，下层受压，底板由于地基支承作用，受力状况与之相反；顶、底板的钝角区域存在较大应力。

经以上分析可知，该斜交框架桥的受力特点如下：

①结构最大位移发生在顶板锐角自由边上，设计时应注意该处挠度的控制。

②结构内力分布的不均匀主要在发生在顶底板与腹板连接位置。

③顶板弯矩在1/8～1/4板跨位置较小，最大正弯矩发生在跨中区域，最大弯矩值的连线与板跨中心线存在一定的夹角，趋近于板钝角位置的连线方向。

④顶底板最大应力均发生在靠近钝角位置。

斜交框架桥区别于正交框架桥，因其承受弯矩和扭矩的共同作用，设计中应取其最不利荷载情况进行分析，根据跨中及支承边的内力大小、主弯矩方向及板的几何特征来确定配筋方案。

通过上述分析，并联系实际应用，对于该桥，板在跨中及中腹板顶部截面位置为配筋设计控制截面，主筋采用通长布置，沿主弯矩方向布置最为合理，分布钢筋与之垂直。但由于该桥斜交角度并不大，主弯矩方向与板跨中心线夹角很小，结合实际情况，可以按主筋平行于板自由边，分布钢筋平行于支承轴线布置。顶底板与腹板连接处内力较大，故在结构构造上采用倒角过度，且拐角处加强配筋；钝角区域应设置局部加强钢筋。

4结论

斜交框架桥与一般正交框架桥不同，应根据具体的斜交角度进行简化分析，不能直接简单简化为平面框架结构；斜交框架桥的钢筋布置需经计算分析后确定，应着重于板在跨中、腹板连接处及钝角区域受力情况，还要注意顶底板配筋方式的不同，这样才能针对不同的实际工程情况采用合理的配筋方式。

参考文献

[1]中华人民共和国铁道部.TB 10002. 1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社，2005

[2]中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[3]中华人民共和国铁道部.TB 10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[4]舒子亨.银英姿.钢筋混凝土斜板桥的特征计算[J].内蒙古水利科技，1992(3).

[5]周家新.下穿铁路斜交框架桥的空间结构分析[J].铁道建筑，2005(7)

[6]卫星，强士中.铁路斜交框架立交桥的空间分析[J].铁道建筑，2004(5)

[7]丘斌，乔建东，裘伯永.斜交框架桥设计探讨[J].铁道标准设计，1998(12)

[8]梁劲.双孔箱形框架桥裂缝原因分析及修补方法[J].铁道勘察，2014(6)

[9]卢三平，李聪林.成昆铁路小河边小角度下穿框架结构的设计[J].铁道标准设计，2007(5)