下穿铁路斜交框架桥受力分析

张 超

(中铁工程设计咨询集团郑州设计院，河南 郑州 450000)



下穿铁路斜交框架桥受力分析

张 超

(中铁工程设计咨询集团郑州设计院，河南 郑州 450000)

斜交框架桥受力比较复杂，如果设计不当会出现开裂现象。本文以河南省济源市下穿铁路斜交框架桥为工程背景，采取直角补齐异性正交设计，通过有限元软件MIDAS建立三维空间板单元模型，计算分析结构受力特性，进而总结出配筋特点，可为同类斜交框架桥的设计提供参考与指导。

下穿铁路；斜交框架；受力分析

1 斜交框架桥受力分析方法

通常框架桥多按照平面变形问题进行受力分析，主要采用平面杆系软件如《地道桥CAD系统》进行结构计算配筋。但是对于一些斜交框架桥尤其是大斜交角度情况下，框架桥内任一截面都存在复杂的弯、剪、扭复合作用，受力情况非常复杂，传统的结构力学结合平面杆系有限元计算方法已不符合大斜交角度框架桥的受力特点，其计算结果与工程真实受力状态误差较大，无法满足工程实际需要。因此对于此类斜交框架桥有必要建立其三维空间计算模型，并合理的对荷载和约束在空间上进行简化，以研究结构的空间力学特性。

本文借助于桥梁有限元分析软件Midas Civil2015建立大斜交角度框架桥三维空间模型。按照结构模型、几何特性、边界条件等与实际结构一致，同时可正确反映各工况下结构受力特性和荷载状况的原则，采用空间板单元模拟，底板与土的相互作用按文克尔弹性地基模型建立，并在模型中采用面弹性支撑，用受压弹簧模拟弹性地基。

2 工程概况

本工程地处河南省济源市，为温邵线罡头至李八庄一级公路改建工程在玉阳村南下穿五三一专用铁路，桥位处铁路位于曲线段，曲线半径300 m。该公路下穿既有铁路采用(12+12)m现浇两孔连续框架桥，道路与铁路夹角为33.8°，箱桥按斜交角32.2°设计。箱桥净空≥5.0 m。箱桥结构高度9.5 m，其中箱桥顶板厚1.3 m，底板厚1.4 m，中墙厚1.2 m，侧墙厚1.2 m。该箱桥由于斜交角度较大，

因此决定采用直角补齐、异性正交设计的方法，以改善结构整体受力，避免外部扭转引起的不利影响和斜交应力集中问题。

3 建模分析

3.1 设计荷载

包括：①恒载：框架桥自重、二期恒载、侧墙土压力；②铁路活载：中—活载(2005)、列车冲击力、列车活载土压力；③城市活载：城—A；④其他：混凝土收缩徐变、温度效应。

3.2 结构模型

通过桥梁有限元软件Midas Civil2015建立全桥模型，研究其空间受力特性。结构有限元模型如图1，其中板的面内外厚度均采用实际厚度，全桥共有678个节点，898个板单元。

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

不同荷载组合条件下对框架桥顶、底板、边板的影响不同，因此本文取其最不利情况进行分析，根据跨中和支撑边的内力大小、主弯矩方向及板的几何特性来确定合理配筋方案。图1为全桥主弯矩图。

图1 弯矩图

根据图1所示，可以得出该斜交框架桥的力学特性如下：

(1)内力分布不均匀主要出现在该框架桥的顶板和底板区域，而且在侧墙和顶、底板连接处内力较大；

(2)框架桥顶板和底板钝角处有最大正弯矩(红色部分)存在，框架桥跨中部分存在最大负弯矩；

(3)主弯矩方向呈现出垂直于边墙的特点，且顶板与中墙连接处弯矩大于顶板与边墙连接处弯矩值；

(4)在顶板和竖墙连接部位正弯矩和负弯矩大小都呈现出由钝角处向锐角处逐渐减小的趋势。

本文作者根据从空间有限元模型受力特性分析结果总结出如下几点斜交角度框架桥的配筋特点：

①顶底板内主筋应伸到立墙内，且与立墙内竖向主筋焊接，形成封闭式主筋，这样有利于结构抗扭。

②顶底板在钝角处会产生较大的正弯矩，而且与框架桥跨径方向并不一致。因此可在顶底板钝角位置垂直于平分线方向增设加强钢筋，以承受正弯矩；在顶底板钝角位置下部平行于钝角平分线方向增设加强钢筋，以承受板底拉力。

③在顶板与竖墙相交处存在较大弯矩和剪应力，而且这些力呈正反交替的规律作用在顶板上可能会产生交叉裂缝，因此在顶板与竖墙相交处增设加强钢筋，加强钢筋可以起到更好的固定轴向钢筋作用，从而减少相交处裂缝的产生。

4 结 论

斜交框架桥的受力特性和正交框架桥比起来还是存在较大差别，其在钝角处承受了较大的弯矩、剪力及扭矩，若按照常规正交框架桥采用平面框架结构进行计算分析，所得结果误差会很大。同时为避免由于斜交角度过小而出现应力集中和外部扭转问题，可在框架桥两端采取直角补齐、异性正交设计以改善结构受力性能。随着下穿铁路斜交框架桥的日益增多，应根据具体的斜交角度结合有限元软件MIDAS建立三维空间板单元模型，对斜交框架结构进行力学计算分析，正确分析其受力状况，重点关注框架桥边腹板连接处、跨中以及钝角处内力结果，以合理指导配筋。

[1] 范军琳.大斜交角度铁路框架桥结构受力分析[J].铁道建筑技术，2010，(10)：19-22.

[2] 赵勇.下穿铁路斜交框架桥受力分析[J].铁道勘察，2015，(6)：91-93.

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

2016-03-11

张超(1989-)，男，河南孟州人，助理工程师，研究方向：桥梁设计。

U24

C

1008-3383(2016)11-0080-02