斜交框構橋設計要點的探討

柴桂紅

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

隨著鐵路運輸行業和城市的不斷發展,控制鐵路選線條件愈加復雜,鐵路與公路、鐵路與鐵路互跨現象越來越多。框構橋由于具有建筑高度低、斷面輕巧,總體布置靈活,對地基承載力要求低,抗震性能好,整體性能好,施工方便,在城市道路穿越鐵路立交工程中或在鐵路既有橋改造工程中,被廣泛采用。結合東北東部鐵路通道大連鐵路樞紐改造工程金北聯框構橋工程實例探討斜交框構設計中應注意的幾個要點。

1 工程概況

1.1 線位概述

東北東部鐵路通道大連鐵路樞紐改造工程金北聯框構小橋為改哈大左線、丹大左、右線上跨貨物上、下行聯絡線而設,為既有哈大左線上跨既有金城貨運線框構改擴建工程,各線位平面布置詳見圖1。線路相對關系詳見表1。

表1 線位關系

1.2 設計方案

根據跨越兩線交角,框構夾角可采用45°,經過方案比較及受力分析,兩聯框構均采用1—14 m,斜交30°,以減小結構的尖角產生的應力集中。改哈大左線框構橫向長度為33.3 m,丹大正線框構橫向長度為35.88 m,基底置于σ0=1 200 kPa的石灰巖上。框構平面布置詳見圖1,立面布置詳見圖2。

圖1 框構方案平面布置

圖2 框構方案立面(單位：cm)

2 有限元模型

為便于分析,對改哈大左線框構采用MIDAS分析軟件建立空間有限元模型,進行結構受力分析。框構采用板單元,結構基底采用面彈性支撐模擬彈性地基,在基底與支撐面之間加彈性連接,彈性支撐剛度為豎向地基系數C0。在基底中央節點加順橋向、橫橋向水平約束,基底中央沿橫橋向所有節點加順橋向的水平約束。計算模型如圖3所示。計算荷載包括恒載、列車活載、制動力、混凝土收縮徐變、溫度效應、恒載土壓力、活載土壓力、不均勻沉降等,根據可能出現的情況采用以下幾種荷載組合進行分析。

圖3 MIDAS有限元模型

組合1：恒載+頂板中活載+制動力+混凝土收縮徐變+恒載土壓力+活載土壓力；

組合2：組合1+底板單線行車；

組合3：組合1+底板雙線行車；

組合4：組合3+升溫25 ℃；

組合5：組合3+降溫30 ℃。

3 設計要點

該框構斜交角度較小,設計中重點考慮了以下幾個要點。

3.1 頂、底板鈍角區應力集中

通過計算分析得出在上述各組合工況作用下,斜交框構頂板、底板跨中均出現較大的拉應力,且較大主拉應力分布區域偏向鈍角區方向,應力分布詳見圖4、圖6。在頂板頂面、底板底面鈍角區范圍內出現較大的拉應力,具體應力分布詳見圖5、圖7。對于斜交框構橋,頂板最大彎矩不在跨中而偏向鈍角側。為了解決鈍角區局部應力集中問題,鈍角處應適當增大配筋,配置鋼筋網,控制主拉應力以滿足規范要求。

圖4 頂板板底應力圖(單位：kPa)

圖5 頂板板頂應力圖(單位：kPa)

圖6 底板板頂應力圖(單位：kPa)

圖7 底板板底應力圖(單位：kPa)

3.2 路基與框構橋銜接

為確保行車舒適性,框構橋與路基連接處,設計應滿足：在中-活載作用下,路基與橋梁過渡處梁端轉角不應大于θ=3×10-3rad的要求,本框構經計算得梁端轉角θ=0.116×10-3rad,小于3×10-3rad。由于框構斜交角度小,部分枕木處于軟硬不均狀態,對運營及養護不利,因此與框構相銜接的路基過渡段應設置圬工轉正體結構,使邊線與線路垂直,以保證剛度的平順過渡。

3.3 結構主體不均勻沉降

橫向結構尺寸較大的框構,為避免不均勻沉降,橫向宜分節,但有些框構考慮結構受力及行車平順的需要,不便于分節。因此,控制基礎沉降,避免沉降不均勻而產生結構次內力從而危及結構及行車安全至關重要。設計時應結合橋位處的地質情況,對框構及路基過渡段的地基采取控制沉降措施。關于框構基礎沉降量控制值,規范中沒有明確規定,應結合沉降對結構產生的附加應力的影響確定。

為了探討地質條件和地基沉降的關系,對給定地基豎向地基系數C0分別為50、70、90、110、130、150、170、200 MPa/m3時框構銳角區對角線連線方向的底板變形值進行計算分析。通過對上述各假定C0值計算結果分析得出,沿框構對角線方向底板豎向變形值隨著C0值的增大而逐漸減小,框構底板的豎向變形值沿對角線中點向兩側呈逐漸增大趨勢,C0值越小框構中心與對角點的變形差值越大。以主力組合工況為例,各變形值相對關系如圖8所示。

圖8 豎向變形與框構底板銳角區對角連線關系

為探討地質條件對結構內力的影響,本文對給定地基豎向地基系數C0分別為50、110、200 MPa/m3時框構進行了配筋計算,并進行同截面配筋對比,對比截面的位置如圖9所示。

圖9 配筋截面位置示意(單位：m)

通過對比得出C0值對框構頂板上緣、邊墻內緣配筋情況無影響,配筋對比情況見表2、表7。C0值對框構頂板下緣、底板上下緣、邊墻外緣配筋影響較大,C0值越小,頂板下緣跨中范圍、底板上、下緣跨中范圍、邊墻外緣墻底范圍所需配筋截面面積越大,配筋對比情況見表3～表6；而框構底板上、下緣邊墻支點范圍、邊墻外緣墻頂范圍所需配筋截面面積則隨C0值的增大而呈增加趨勢,配筋對比情況見表4～表6；C0值對頂板上緣邊墻支點范圍配筋未見影響,配筋對比情況見表4。

表2 頂板上緣配筋對比

表3 頂板下緣配筋對比

表4 底板上緣配筋對比

表5 底板下緣配筋對比

表6 邊墻外緣配筋對比

表7 邊墻內緣配筋對比

因此,對于橋址處地質較差的沉降不滿足要求的框構,應進行地基處理。通常采用的地基處理方法有換填墊層法、水泥粉煤灰碎石樁法、水泥攪拌樁法、高壓噴射注漿法、灰土擠密樁法和土擠密樁法等,使用時應根據荷載大小及使用要求結合地形地貌、地層結構、土質條件、地下水特征、環境情況和對鄰近建筑的影響等因素進行綜合分析,確定處理方法。

3.4 框體受扭嚴重

框構斜交角度小,框體受扭嚴重,易引起軌面不平順,如圖10、圖11所示。設計過程中采用下列標準對框構主體扭曲變形進行控制,即：活載作用下梁體扭轉引起的軌面不平順,以1段3 m長的線路為基準,1線2根鋼軌的豎向相對變形量不應大于1.5 mm。否則應適當加大結構尺寸,以提高框構整體剛度。本框構通過計算得1線2根鋼軌的豎向相對變形量為0.8 mm,滿足要求。

圖10 頂板扭矩圖(單位：kN·m)

圖11 底板扭矩圖(單位：kN·m)

3.5 框構主體混凝土裂縫控制

混凝土結構裂縫的成因復雜,為多種因素相互影響,但每條裂縫均有其產生的1種或幾種主要原因。一般認為,混凝土結構裂紋產生有設計因素和施工因素2個方面。

設計過程中一般采用增加構造鋼筋的方法來提高框構結構的抗裂性。對有可能出現較大溫度應力的部位,應適當增大構造配筋。同時構造配筋宜按照“細、密”的原則,即盡可能選用直徑小的鋼筋小間距布置。且在框構橋的倒角處適當加強構造鋼筋的配置。縱向鋼筋數量配置不足是頂板產生順橋向裂縫的另外一個原因。同時設計時不應忽略橫橋向(順公路線路垂直鐵路線路方向)強度的驗算,但不同工點的外荷載也不盡相同,應根據具體的工程特點適當考慮,避免由于橫向強度驗算的疏忽造成結構的安全隱患。

施工時應從原材料、澆筑、振搗、養護等方面對施工質量進行嚴格控制,避免因施工因素而導致混凝土產生裂縫。

4 結論

(1)頂、底板鈍角區部分宜產生應力集中,需增加鋼筋；

(2)斜交框架橋與路基連接處,部分枕木處于軟硬不均狀態,對運營及養護不利,需設置路橋過渡塊；

(3)框架橋寬長比較大,容易產生不均勻沉降,宜設沉降縫；否則應采取控制基礎沉降措施,以限制沉降對結構產生的附加應力；

(4)框構斜交角度小,框體受扭嚴重,應對一線2根鋼軌的豎向相對變形量進行控制；

(5)加強對框構主體縱、橫向配筋進行驗算,及增加構造鋼筋,以解決由于設計因素導致的框構主體混凝土裂縫。

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