南水北调中线铁路框架桥设计安全储备对比

管巧艳，袁振霞，杜　晖，王耀飞

(1.郑州航空工业管理学院 土木建筑工程学院，河南 郑州 450000；2.航空经济发展河南省协同创新中心，河南 郑州 450000；3.中原工学院，河南 郑州 450007；4.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)



南水北调中线铁路框架桥设计安全储备对比

管巧艳1,2，袁振霞3，杜晖4，王耀飞4

(1.郑州航空工业管理学院 土木建筑工程学院，河南 郑州 450000；2.航空经济发展河南省协同创新中心，河南 郑州 450000；3.中原工学院，河南 郑州 450007；4.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

南水北调中线工程铁路框架桥上层过火车，下层过水。为保证工程安全，需同时满足铁路和水利两个行业设计规范，铁路现行规范采用容许应力法，水利现行规范采用极限状态设计法。以中铝企业站铁路框架桥为研究对象，采用铁路和水利两种规范计算，针对设计标准、钢筋应力、混凝土压应力、裂缝宽度、配筋率等方面进行分析对比。结果表明：铁路规范配筋率大于水利规范配筋率，铁路规范裂缝宽度小于水利规范裂缝宽度，铁路规范容许应力法安全储备大于水利规范极限状态设计法。

容许应力法；极限状态设计法；配筋率；安全储备；南水北调中线工程

1　工程概况

工程区地震动峰值加速度为0.15 g，相当于地震基本烈度Ⅶ度。工程地质条件：①重粉质壤土(Q3)；②卵石(Q2)；③重粉质壤土(Q2)；④卵石(Q2)；⑤重粉质壤土(Q2)；⑥卵石(Q2)；⑦粉质黏土(Q2)；⑧泥岩(C2b)；⑨灰岩(O2S)。

图1　中铝企业站铁路框架桥立面图

2　铁路规范—容许应力法设计

2.1容许应力法

现行的铁路桥涵设计规范采用的是容许应力法。容许应力法是以构件带裂缝工作阶段的应力状态为计算依据，容许应力设计法将材料视为理想弹性体，用线性弹性理论方法，算出结构在标准荷载下的应力，要求任一点的计算应力不大于材料的容许应力。一般的设计表达式为σ≤[σ]，容许应力[σ]由规定的材料弹性极限(或极限强度、流限)fk除以大于1的单一安全系数K而得。

容许应力设计应用简便，是工程结构中的一种传统设计方法，目前在铁路工程设计中仍在应用。它的主要缺点是由于单一安全系数是一个笼统的经验系数，因之给定的容许应力不能保证各种结构具有比较一致的安全水平，也未考虑荷载增大的不同比率或具有异号荷载效应情况对结构安全的影响。

2.2安全系数与设计标准

容许应力法用安全系数K使承载能力有一定的安全储备，K的取值由结构类型、荷载组合等因素决定，该系数取值是经验性。

根据《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)要求，采用容许应力法对截面进行验算，受力主筋采用HRB335钢筋，容许应力为180 MPa；结构主体采用C40混凝土，弯曲受压及偏心受压时容许应力为13.5 MPa；框架桥结构裂缝宽度容许值为0.2 mm。

2.3计算工况

根据结构构造、铁路、水利运营情况共采用以下四种设计工况，工况一为完建期，渠道无水；荷载组合：涵洞自重+上部框架、轨道荷载+侧向土压力。工况二为完建期，渠道无水，上部火车荷载；荷载组合：涵洞自重+上部框架、轨道荷载+侧向土压力+火车荷载。工况三为运行期，渠道加大水深，上部无火车荷载；荷载组合：涵洞自重+上部框架、轨道荷载+侧向土压力+渠道加大水深。工况四为运行期，渠道加大水深，上部火车荷载；荷载组合：涵洞自重+上部框架、轨道荷载+侧向土压力+渠道加大水深+火车荷载。

2.4计算结果

根据结构力学模型，分别计算出各种工况下的截面内力，确定框架桥各部位的最不利计算工况下弯矩和内力，采用《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》计算混凝土应力、钢筋应力、截面裂缝宽度，计算结果见表1。

表1　铁路规范各控制工况下计算结果表

根据表1计算结果，框架桥最大混凝土压应力为6.78 MPa发生在工况四下的顶板内侧，小于C40混凝土容许应力为13.5 MPa；钢筋应力最大拉应力150 MPa发生在工况二下的中孔底板内侧，小于钢筋容许应力为180 MPa；裂缝宽度为0.164 mm发生在工况二下的中孔底板内侧，小于裂缝宽度容许值为0.2 mm。框架桥身段结构设计混凝土应力、钢筋应力、截面裂缝宽度均满足规范要求。

3　水利规范—极限状态设计法

3.1极限状态理论

极限状态设计法以极限状态结构的设计状态，用概率论处理结构的可靠性问题。设计的原则是荷载引起的荷载效应S在规定的极限状态下大于抗力的概率不应超过规定限值，即：按照概率程度高低，极限状态设计法可以分为3个水准，即水准1—半概率极限状态设计法，水准2—近似概率极限状态设计法，水准3-全概率极限状态设计法。目前水利规范采用的为近似概率极限状态设计法。

承载能力极限状态设计表达式：KS≤R，K为承载力安全系数，S为荷载效应组合设计值，R为结构构件的截面承载力设计值。

正常使用极限状态验算应按荷载效应的标准组合进行，设计表达式为：

Sk(Gk,Qk,Fk,ak)≤c，Sk(·)为正常使用极限状态的荷载效应标准组合值函数，c为结构构件达到正常适用要求所规定的变形、裂缝宽度或应力等的限值。

3.2安全系数与设计标准

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)要求，采用承载能力和正常使用极限状态对截面进行验算，自重分项系数为1.05，荷载分析系数1.2，承载力安全系数1.35，结构裂缝宽度容许值为0.3 mm，但考虑到施工后钢筋保护层厚度为6 cm，裂缝限裂宽度限值可增加0.05。

3.3计算工况及结果

结构内力计算采用有限元软件ANSYS建模计算。本工程为上下层分离结构，模型仅取下层过水断面横向三孔框架进行计算，顺水流向取1 m长度。采用Beam3单元作为框架结构单元。三孔框架之间接触部位采用contact171、targe169接触单元。地基基础采用弹簧单元combin14模拟，根据地勘资料，框架基础位于第⑤层重粉质壤土层，属密实土壤，基床系数采用40 MPa。上层三孔框架结构及轨道荷载折算为均布荷载施加到下层涵洞顶板顶面，侧向土压力直接施加到边孔边墙外侧。采用有限元方法计算出各种工况下的截面内力，确定框架桥各部位的最不利计算工况下弯矩和内力，采用《水工混凝土结构设计规范》计算钢筋、截面裂缝宽度，计算结果见表2。

表2　水利规范各控制工况下计算结果表

4　结果对比分析

(1)顶板

铁路规范边孔和中孔的顶板内侧每延米配筋20Φ28，钢筋面积为123.15 cm2，配筋率为0.82%；顶板外侧每延米配筋16Φ28，钢筋面积为98.5 cm2，配筋率为0.66%。水利规范边孔和中孔的顶板内侧每延米配筋15Φ28，钢筋面积为87.23 cm2，配筋率为0.58%；顶板外侧每延米配筋14Φ28，钢筋面积为81.9 cm2，配筋率为0.55%。铁路规范顶板内侧、外侧的配筋率比水利规范分别多出0.24%、0.11%。

(2)底板

铁路规范边孔和中孔的底板内侧每延米配筋20Φ28，钢筋面积为123.15 cm2，配筋率为0.77%；底板外侧每延米配筋12Φ28，钢筋面积为73.9 cm2，配筋率为0.46%。水利规范边孔和中孔的底板内侧每延米配筋5Φ28，钢筋面积为76.36 cm2，配筋率为0.48%；底板外侧每延米配筋11Φ28，钢筋面积为65.46 cm2，配筋率为0.41%。铁路规范底板内侧、外侧的配筋率比水利规范分别多出0.29%、0.05%。

(3)竖墙(即边墙和缝墙)

铁路规范边孔和中孔的竖墙内侧每延米配筋8Φ28，钢筋面积为49.3 cm2，配筋率为0.35%；竖墙外侧每延米配筋12Φ28，钢筋面积为53.9 cm2，配筋率为0.53%。水利规范边孔和中孔的竖墙内侧每延米配筋5Φ28，钢筋面积为26.5 cm2，配筋率为0.19%；竖墙外侧每延米配筋8Φ28，钢筋面积为44.01 cm2，配筋率为0.31%。铁路规范竖墙内侧、外侧的配筋率比水利规范分别多出0.16%、0.22%。

5　结论

(1)采用铁路、水利行业规范设计结构断面及配筋均能满足各自行业承载能力要求，铁路行业规范计算裂缝开展宽度最大0.161 mm(<0.2 mm)，水利行业规范计算裂缝开展宽度最大0.238 mm(<0.3 mm)，均能满足裂缝开展宽度限值要求。

(2)中铝企业站框架桥各部位的配筋率铁路规范比水利规范多出0.05%～0.29%，表明铁路规范容许应力法比水利规范极限状态设计法安全储备过高，铁路规范采用极限状态设计法势在必行。

[1]《水工钢筋混凝土结构设计规范》(SL191-2008)[S].

[2]《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)[S].

[3]高策，薛吉岗.铁路桥梁结构设计规范由容许应力法转换为极限状态法的思考[J].铁道标准设计，2012(2)：41-45.

[4]孙绪杰，郑文忠.钢筋混凝土构件宏观安全储备[J].工业建筑,2008(4):44-46.

[5]朱索贵，朱万清，尹广升.水工钢筋混凝土结构设计中对极限状态理论的认识[J].黑龙江水利科技,1998(3):40-42.

[6]周诗广，张玉玲.我国铁路工程结构设计方法转轨的认识与思考[J].铁道经济研究,2011(3)27-32.

Safety reserve of railway frame bridge design in Middle Route Project of South-to-North Water Transfer Project

GUAN Qiao-yan1,2,YUAN Zhen-xia3,DU Hui4,WANG Yao-fei4

(1.TheDepartmentofCivilEngineeringofZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450000,China;2.CollaborativeInnovationCenterforAviationEconomyDevelopmentofHenanProvince,Zhengzhou450000,China;3.ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China;4.HenanInvestigationDesignInstituteofWaterResourcesCo.，Ltd.，Zhengzhou450016,China)

The railway frame bridge in the Middle Route Project of South-to-North Water Transfer Project,on the upper level of the railway frame bridge runs the train,and under it the river flows.In order to ensure the safety of the project,we need to meet both the design specifications of railway and water conservancy.The allowable stress method is adopted in the current standard of the railway,and the limit state design method is adopted in the current standard of water conservancy.Taking the railway frame bridge of Zhonglü station as the research object,using two kinds of standard calculation of railway and water conservancy,the analysis and comparison are made according to the design standard,the stress of steel bar,concrete compressive stress,crack width,reinforcement ratio and so on.The results show that the reinforcement ratio is greater than the Railway Standard Specification reinforcement ratio,and the crack width is less than the railway standard specification of crack width,the railway standard allowable stress safety specification is greater than the limit state design method.

allowable stress method; limit state design method; steel ratio; safety reserve; the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

2016-03-30

国家科技支撑计划课题(2015BAB07B07)

管巧艳(1979—)，女，河南兰考人，硕士研究生，讲师。

1674-7046(2016)05-0007-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.002

U24

A