下穿既有铁路大斜交框架桥结构分析

2016-12-06尤广杰

铁道勘察 2016年5期

关键词：斜交活载内力

尤广杰

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州 450001)

下穿既有铁路大斜交框架桥结构分析

尤广杰

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州 450001)

大斜交角的板桥计算在国内外尚未形成完整的理论体系。焦作市人民路下穿新月铁路工程，道路与铁路右偏23.2°。结合工程实例，运用Midas civil软件建立厚板单元的三维空间模型，分析常见斜交结构形式和改进的斜交结构的受力特征。结果表明，改进的斜交框架结构内力明显降低，更方便结构配筋设计，显著减小了施工难度。

框架桥斜交厚板单元结构分析

随着城市道路建设的快速发展，占地少、投资小且施工方便的框架结构被大量采用[1]，斜交框架结构日益增多。斜交板桥计算理论尚未形成完整的理论体系，现行桥梁规范中对大斜交角的情况也没有给出明确规定，这给斜交框架立交桥的设计与施工带来一定困难[2，3]。一般设计和施工的框架桥斜交度≤30°比较常见，但是对于斜交角度更大(特别是大于45°的情况)[4]，必须对结构进行空间分析，对斜交框架结构形式也应该加以改进。结合焦作市人民路下穿新月铁路框架桥的方案设计情况，对一般的斜交结构和改进后的斜交结构分别用Midas civil进行有限元空间计算，并对计算结果进行比较分析。

1 工程概述

焦作市人民路下穿新月下行铁路，道路与铁路夹角为23.2°，交叉处铁路里程为K64+671.3。桥位处既有铁路为高路基，铁路轨面比两侧地面高约4 m，铁路为单线电气化无缝线路，桥位处道路、铁路平面位于直线段。道路规划机动车道宽15.5 m，非机动车道宽4.5 m，人行道宽4.0 m。在方案设计阶段，需要确定结构形式和尺寸。考虑规划的道路中线、交叉角度、横断面和地形现状等影响因素，左右两幅路分别采用3孔连续框构形式，每幅框架桥跨径为(8.5+8.5+8.5) m，考虑纵坡影响及保证管道从框构非机动车道路面下穿过，结构净高设为7.7 m。垂直路基方向桥长12.1 m，斜长(洞身方向)30.70 m。桥上轨底至框构顶板顶的高度不小于0.8 m。方案设计阶段论证了两种框架结构形式，为便于结构内力计算比较，两种结构采用相同厚度，结构顶板厚1.3 m，底板厚1.45 m，边墙厚1.1 m(正尺寸)。

常见斜交框架结构形式见图1，其单孔斜向跨度达21.57 m。为改善因斜交引起的应力集中与扭转现象，将斜交框构设计为框构两端补角成长方体结构，这里称为改进的斜交结构(见图2)。

图1 斜交框架总体布置(单位：m)

图2 改进的斜交框架总体布置(单位：m)

2 空间结构模型的建立

分析斜交框架桥时通常有2种计算方法，一种是取1 m宽度，按斜交跨度的刚架来分析，适用于斜度相对较小的情况；另一种是按厚板理论，用空间有限元对斜交框架进行三维分析[5]。本工程利用Midas建立厚板模型对结构进行空间分析，厚板单元考虑了板横向剪切作用，按各板的中心面建立模型[6]，框架角部不考虑梗腋的加强作用，按等厚板分析。2.1 荷载取值[7]

(1)恒载

主要包括结构自重及线路上部建筑的重量、框架两侧静土压力、混凝土收缩影响和非机动车道内填土荷载。

①结构自重及线路上部建筑的重量：结构自重由程序自动计入，容重设定为26 kN/m3；碎石道碴、桥顶防水层和铁路电缆槽等线路上部建筑的重量按照21 kN/m2均布荷载计算[8]。

②在框架两侧的土体侧向压力：按库伦理论(楔体极限平衡理论)所推导的主动土压力计算。土的侧向压力为梯形分布，作用方向可认为是水平的。本桥为双幅结构，双幅桥中间采用混凝土封端填砂，所以靠近道路中心线一侧墙体按不受土压力计算。

③混凝土收缩：混凝土收缩的影响可按降低温度的方法来计算。结构为整体灌注的钢筋混凝土时，相当于降低温度为15 ℃，线膨胀系数取0.000 01。混凝土的收缩影响，主要是顶板的收缩。

(2)活载

主要包括列车竖向静活载、竖向冲击力、活载引起的水平土压力和道路活载。

①列车活载采用“中—活载”。需要选取最不利的行车情况下所产生的列车均布活载作为计算列车活载，车道宽度B由列车横向分布的影响范围确定[9]。在MIDAS中，可采用影响面分析得到最不利荷载。本桥按照简化取值计算，按照特种活载均布桥顶面布置。

②根据规范[3]，顶板填土厚度h<1 m，1+μ=1+6α/(30+L)，α=4(1-h)≤2，L为桥跨长度。对于本工程，1+μ=1.24。

③列车活载作用于主体框架边墙上的侧向水平土压力P按下式计算：P=ξqh，式中qh=165/(2.5+h)(kN/m2)，为在轨底以下深度h处活载的竖向压力强度。ξ为系数，填土时采用0.25～0.35，本桥取0.3。同静土压力，本桥按一侧墙体受土压力或者不受土压力进行荷载组合计算，取其最不利工况。

④道路活载：公路荷载以简化荷载来代替[10]。对于本桥，机动车道荷载近似按照城市—A级在中墙方向10 m内分布。非机动车道活载按60 kN荷载均布于10 m长边跨范围。人行道荷载对框架结构内力影响很微小，可忽略不计。

(3)附加力

微生态制剂源自于微生态学原理学，其具有保护或调节微生态平衡的功能，通过对宿主产生益生菌或者通过促进有益物质生成而制备成的制剂，主要起到预防、调节和治疗疾病的作用。平板菌落计数法是将待测样品经过适当稀释，将稀释后的样品在一定条件下进行培养，培养后得到的样品中所含菌落的数量，在一般情况下认为将一个肉眼直观可以看见的菌落代表一个单细胞。选择一个合适的稀释度并乘以相应的稀释倍数就可以比较准确地获得样品中微生物的具体数量。平板菌落计数法以其具有良好的重复性，并可以相对准确地体现样品中活菌数量的优点，成为了如今我国卫生标准规定所认定可行的方法，并且在食品药品研究领域得到了广泛的应用。

主要包括温度力和制动力。

制动力按列车竖向静活载的10%计算。

计算该桥温度变化影响时，按整个结构升降温15°计算。

2.2 边界条件

按照弹性地基的方法来模拟周边土对框架的约束。本工程所处位置地层主要为粉土、粉质黏土与粉砂。根据地质报告，本桥基位于粉土层，地基承载力110 kPa，地下水位于板底以下。基于地质条件，Midas中底板与土的作用力采用节点弹簧来模拟，基床系数取K=10 000 kN/m3[11]，平面方向基床系数近似取竖直方向的1/5[12]。

2.3 荷载组合

恒载、活载和附加力作用对结构各个部分的最大、最小内力等最不利效应的影响不同，在荷载组合时要考虑到所有的可能组合： ①恒载+列车；②恒载+一侧活载土压力；③恒载+列车+一侧活载土压力；④恒载+列车+道路活载；⑤恒载+一侧活载土压力车+道路活载；⑥恒载+列车+一侧活载土压力+道路活载；上面各种组合叠加附加力荷载。

2.4 空间模型

由于本桥斜交角大于45°，为保证计算精度，防止板单元形状畸形，在墙体和顶底板相交处采用三角形板单元，其余位置采用正四边形板单元建立模型。斜交结构模型共2520个板单元，见图3；改进斜交模型共3470个板单元，见图4。

图3 斜交结构模型

图4 改进斜交结构模型

3 结构分析

不同的荷载组合对于顶板、底板、边板的影响不同，根据以上分析的各种荷载组合计算，得到最不利荷载组合下结构的内力。分析表明，框架的顶板受力趋势较边墙和底板更能反映斜交框架的受力特点，简要取顶板计算结果进行分析比较，板单元内力值均为单位宽度的内力值。

图5 斜交结构顺铁路方向单元弯矩等值线

图6 改进斜交结构顺铁路方向单元弯矩等值线

图5、图6分别为两种结构顺铁路方向的弯矩图，分析得到：

(1)两种结构内力分布不均匀，但有相似性，主要在顶板、底板，边、中墙与顶板、底板连接位置内力较大，钝角效应明显。

(2)两种结构的最大弯矩值及发生位置比较见表1。在斜交结构最大负弯矩发生区域，改进的斜交结构负弯矩值为240 kN·m，约为斜交结构的0.4倍。其次，改进的斜交结构在两端补角部分区域，相比中跨和边孔跨中位置正弯矩值较大，结构在此补角部分顶进完毕后应立即浇筑堵墙封闭，减少此部分结构弯矩作用。

图7、图8分别为两种结构横铁路方向的弯矩图，分析得到：横铁路方向受力特征与顺铁路方向受力特征相似，仍具有钝角效应，顶板、底板与边、中墙连接位置内力较大。对于一般的斜交结构，若横铁路长度与顺铁路方向跨长之比不是很大，则横铁路方向弯矩相比顺铁路方向弯矩会较小。斜交结构横铁路方向最大正弯矩值为1 195 kN·m，最大负弯矩为462 kN·m，横铁路向最大正弯矩约为顺铁路向最大正弯矩的0.6倍。改进的斜交结构最大正弯矩值为1 121 kN·m，最大负弯矩为407 kN·m，横铁路向最大正弯矩约为顺铁路向最大正弯矩的1.05倍，采用此结构设计时应该加强横铁路方向的配筋。

表1 两种结构顺铁路方向弯矩最值及发生位置比较

图7 斜交结构横铁路方向单元弯矩等值线

图8 改进斜交结构横铁路方向单元弯矩等值线

4 结论

大斜交框架桥结构受力非常复杂，需要采用空间结构计算。改进的斜交结构与常见的斜交结构相比，结构内力分布具有相似性，但是内力值得到有效的降低，使其成为可实施的结构方案，且改进后的结构避免了既有线斜交框架桥顶进所需的底板错台，相比常采用的斜交结构造价更低，施工更方便。结构具体设计中，可以按照实际的荷载大小、位置和边界条件，采用有限元空间分析的方法计算内力，同时结构顶板和底板可划分为梁格单元，进行车辆的影响线加载，对钢筋混凝土构件验算更方便且结果可靠。

[1] 李家稳.地道桥设计与施工[M].北京:中国铁道出版社，2011

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[11]中华人民共和国铁道部.TB10002.5—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

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