顶进框架桥下穿铁路道岔区工程设计概述

李勇磊

（中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院，河南 郑州 450000）

框架桥广泛应用于下穿铁路及公路工程中，是一种不可缺少的构造。框架桥整体性好、刚度大、稳定性好的优点为铁路与道路交叉、道路与道路交叉等问题提供了很好的解决方式。文章采用Midas/civil civil-designer对某顶进框架桥下穿铁路道岔区进行了计算分析，也为此类工程提供参考。

1 工程概况

该道路为双向八车道城市主干路，设计时速50 km/h，规划道路横断面宽度为45 m，道路主线机动车道为双向8车道，两侧设置非机动车道及人行道，机动车道左右幅均单孔设置、人非道同孔通行，即框架采用四孔结构形式。

框架桥单孔正宽均为13 m，净高6.5 m，顶板厚1.0 m，底板厚1.1 m，边墙厚1.0 m，顶板加腋1.2 m×0.4 m，底板加腋0.5 m×0.5 m。框架共分2节，顶进段节长39.3 m。框架桥横断面布置图见图1所示。

图1 框架桥横断面布置图

2 框架桥受力分析

2.1 模型建立

依据框架桥主体结构布置图和框架钢筋布置图，验算（1～13 m）框架，采用迈达斯软件建立每延米宽框架结构的有限元模型，框架模型共划分102个节点，72个梁单元，模型如图2所示。该框架桥模型边界条件：基础对底板的约束以弹性地基梁模型模拟。根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10093-2017）规定，竖向地基系数C0=m0×h，m0为地基系数比例系数，h表示入土深度，根据C0来确定弹簧刚度系数。底板两侧为限制其横向位移的方式约束。

图2 计算模型图

2.2 荷载取值

2.2.1 结构及附属设备荷载

混凝土结构自重、土侧压力、混凝土收缩及徐变作用等。结构自重的取值以实际断面尺寸为准，钢筋混凝土容重的取值为26.0 kN/m3；桥顶填料按1.26 m计算，碎石道砟容重按21.0 kN/m3取值；框架桥侧墙受主动土压力作用，大小为12.7～36.9 kN/m；收缩徐变时间取10 a，即3 650 d。

2.2.2 土压力

由库伦理论可知，框架两侧土体测向压力的取值公式为：

q-单位面积主动土压力（kN/m2）；

γ-作用在框架两侧土体的容重（kN/m3）；

2.2.3 列车荷载

铁路荷载采用客货共线ZKH荷载沿线路纵向进行动向加载，并考虑动载冲击作用。文章框架桥模型计算宽度取值为1 m，因此，在最不利状态下，每延米的列车均布活载即为模型中施加的列车荷载值。按照规范，列车荷载横向加载长度为3.9 m，那么1 m宽框架桥有限元模型车道系数应为1/3.9=0.256。

2.2.4 由活载引起的土压力

列车活载引起的土压力可由下列公式计算：

qh-活载在轨底以下h（m）处造成的竖向土压力（kN/m2）；

ξ-水平压力系数，填土取0.25或0.35，具体取值可视现场土质情况而定；

h-轨底以下的深度；

q-特种活载分布集度（kN/m）。

3 框架桥结构验算结果

3.1 混凝土压应力验算

本构件混凝土压应力最大值σc=7.912 MPa，《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092-2017）规定的容许压应力[σb]=13.5 MPa，因此混凝土压应力满足规范要求。

3.2 中性轴处剪应力验算

中性轴处剪应力τ=1.76 MPa，根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092-2017）规定的混凝土有箍筋及斜筋时的主拉应力容许值[σtb-1]=2.25 MPa，因此中性轴处剪应力满足规范要求。

3.3 结构裂缝验算

顶底板最大裂缝宽度ω1=0.138 mm，边墙最大裂缝宽度ω2=0.138 mm，根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092-2017）可知裂缝宽度容许值[ωf]=0.20 mm，因此结构裂缝宽度满足规范要求。

4 架空系统验算

4.1 架空方案

本工程位于道岔区内，拟建框架桥上方共5股道，其中正线2股，到发线2股，岔线1股。南侧到发线、正线上下行采取D型便梁架空，北侧到发线及岔线采用纵横梁法架空，分次架空，分次顶进，施工工序较为繁琐，多段便梁错位布置，因此存在帽梁构造尺寸与便梁系统支点不匹配的风险。

经计算架空纵横梁变形偏大，最大变形35.5 mm，道岔区内竖向变形最大25.97 mm，岔尖处变形15.73 mm，不满足《普速铁路线路修理规则》（2019年1月）中IV级（限速45 km/h）轨道动态几何不平顺容许偏差管理值高低偏差26 mm的相关规定，影响列车运行的平顺性和稳定性。

为保证铁路运行的稳定性，本次设计采用工厂特殊加工定制的D24纵梁，并在D24纵梁A、纵梁B跨中设置预拱度，预拱值均为15 mm，起拱值曲线按二次抛物线设置。为精确了解纵横梁架空体系的受力性能，建立空间有限元模型，对整个架空上部结构进行整体分析。

4.2 架空体系模型建立

采用MIDAS Civil有限元分析软件建立北侧到发线及岔线的纵横梁架空体系模型，检算其运营状态，单元类型为一般梁单元。

模型建立时，均采用实际尺寸或等待截面模拟纵梁、横梁、横抬梁、钢轨，在各杆件交叉位置，单元均进行分割。模型划分共计1 746个节点、2 725个单元。支撑桩、滑动支点桩均采用一般支承模拟，只对Dz（竖向位移）进行约束，Rx、Ry、Rz均不约束。横梁组端部均为竖向位移的刚性连接，详见图3。

图3 纵横梁架空体系模型

4.3 荷载

纵横梁架空体系施加的荷载包括：架空结构自重、活载。活载采用ZKH活载，在路线纵向动态加载，并考虑冲击作用。

4.4 结构计算结果

4.4.1 结构支点反力

根据结构计算模型得出的结果可知，最大的支点反力值为2 905 kN。

4.4.2 架空体系纵横梁梁单元应力

D24纵梁为工厂特使加工定制，其最大应力值为135.5 MPa，小于规范中容许应力值为240 MPa，因此D24纵梁应力值满足规范要求，D24纵梁应力图如图4所示；根据计算结果，普通横梁I56b工字钢最大应力为136.8 MPa，小于规范中容许应力值210 MPa，因此应力值满足规范要求；由5根I56b工字钢组成的横梁组最大应力输出结果为77.7 MPa，小于规范中规定的容许应力值210 MPa，应力值满足规范要求。

图4 特殊加工D24便梁应力图

4.4.3 位移变形

由Midas位移结果可知，特殊定制的D24纵梁竖向位移最大值为28.2 mm，规范中梁体的竖向挠度容许值为L/400（L为跨度），经计算可知Midas输出位移值小于容许值，竖向位移满足规范要求，Midas输出结构如图5所示；普通横梁I56b工字钢结构最大竖向变形为7.4 mm，小于规范规定的梁体竖向挠度容许值L/400=22.4 mm，竖向位移满足规范要求；由5根I56b工字钢组成的横梁组竖向位移最大值为6.03 mm，小于规范规定梁体竖向挠度容许值L/400=22.4 mm，竖向位移满足规范要求。

图5 特殊加工D24纵梁位移图

根据MIDAS Civil有限元软件对北侧到发线及岔线采用的纵横梁架空验算结果可知，本项目采用的工厂特制的D24纵梁应力与变形均满足规范要求。

5 结论

文章依据工程实例对框架桥主体进行结构验算，并对道岔区纵横梁加固体系进行安全性分析。结果表明：本项目框架桥主体结构受力及裂缝宽度符合规范要求，道岔区纵横梁加固体系中，纵梁采用特制的D24便梁后，改善了架空体系的受力及位移，满足规范的要求。