某鐵路大跨度斜交預應力框構橋設計體會

薛 銳

隨著鐵路建設的大發展,框構橋被大量采用。框構橋作為下穿鐵路的立交形式具有比較明顯的優點,其外形輕巧,整體性好,不受道岔限制。對于穿越已建成的鐵路路基段,框構橋采用頂進法施工,線路加固后具有不中斷行車,不修便線的優點。由于材料性能和現場灌注條件的限制,通常工程中采用的框構孔徑為8m～20m,為普通鋼筋混凝土結構。本次設計的框構跨徑 23m,與被交路斜交 30°,跨徑大,斜交,頂板實際長度26.715m,因此考慮采用預應力結構。

1 尺寸擬定及模型建立

框構橋橫截面尺寸擬定是一個試算過程,根據以往經驗,本次設計頂板擬厚 1.7m;底板的厚度根據地基情況一般比頂板厚,本次設計底板擬厚 1.9m,側墻的厚度可略小于頂板厚度,本次設計側墻擬厚1.6m。

本次設計分析采用大型有限元MIDAS分析軟件,按照擬定尺寸輸入空間結構:1)采用厚板單元離散框構結構,即DKME(Discrete Kirchhoff-Mindlin Element);2)采用桁架單元模擬預應力鋼筋對結構受力性能的影響,預應力鋼筋的張拉通過賦予桁架單元初始拉力荷載方式模擬;3)采用梁單元模擬加勁肋對結構剛度的貢獻。

2 結構力學模型簡化

對于邊界條件的選擇,即土與結構相互作用應根據本次工程的地質報告提供的地質資料,參照規范進行選取及模擬。

2.1 支撐條件

將框構結構與地基之間的相互作用根據溫克爾地基模型進行簡化。根據地勘資料表明,地表下 40多米范圍內置于砂巖層,框構結構埋深在 1.2m～14.3m,根據經驗法值,中等密室土砂土,本項目中取用基床反力系數取為200 000 kN/m。

2.2 周圍土體與結構的相互作用簡化

將框構結構側墻所受周圍的土體作用簡化為土側壓力,靜土壓力標準值計算參照《公路橋涵設計通用規范》,即:

本項目考慮到靜止土壓力是沿著墻高成線性分布的,所以使用軟件提供的流體壓力加載,軟件中計算,壓力垂直于結構物表面作用于結構,荷載分布使用線性荷載,如圖 1所示。

其中,壓力荷載分布規律為:

將軟件中荷載分布規律計算公式與《公路橋涵設計通用規范》中靜止土壓力標準值計算公式相對比,則:Ρ0與框構結構埋置深度有關,即:

g與土的容重和靜土壓力系數有關,即:

現取用:土的重力密度為20 kN/m3,內摩擦角取 70°。

3 預應力模擬

框構橋頂板跨度為 26.715m,將在頂板上均勻布置預應力鋼束。分析中將預應力鋼筋使用采用具有初始張力的桁架單元模擬,為模擬預應力鋼筋與混凝土兩種材料之間的相互作用,將桁架單元與板單元使用在節點處具有相同的自由度來模擬,以將預應力效應表現到結構中。

3.1 輸入桁架單元的初始張拉力

初始張拉力為:預應力鋼筋中有效預應力與鋼筋截面積的乘積。

有效預應力值應為錨下張拉控制應力扣除臺座工作錨具變形、預應力鋼筋回縮及分批放張預應力鋼筋引起的應力損失值。

為準確計算預應力鋼筋中的有效預應力,將使用梁單元進行模擬框構結構受力分析,然后取每束預應力鋼筋中的有效預應力加到模型中;根據項目情況,選用預應力鋼束規格為 1×(12φj, 15.2)和 2×(9φj,15.2);沿頂板均勻布置束。鋼束橫斷面布置見圖2。

3.2 預應力鋼束線型的描述,該分析中使用直線線型

設計根據框構結構內力分布規律,進行預應力鋼束的豎彎,以減小預應力鋼束對框構角隅處負彎矩區的影響。

4 計算荷載

計算荷載包括恒載(自重、二期恒載、恒載土壓力等)、活載及附加力(溫度升降等)。框構橋的移動活荷載分析計算中,分別在頂板及底板使用車道面加載方式加載公路荷載和鐵路荷載。依據本次設計原則,參照《公路橋涵設計通用規范》進行移動活荷載分析,荷載標準采用公路—Ⅰ級荷載標準;參照《鐵路橋涵設計基本規范》進行鐵路列車豎向靜活載分析。

4.1 沖擊系數處理

根據《公路橋涵設計通用規范》中 4.3.2.2條,在本次分析中無需計入活荷載對結構的沖擊作用。

在MIDAS/CIVIL軟件中,定義“移動荷載分析控制數據”時,程序會自動考慮沖擊系數的計算,因此在程序參數輸入時,“移動荷載工況”中,“系數”填寫為:

4.2 鐵路列車豎向靜活載加載

在施加鐵路列車豎向靜活載車道面加載時,需考慮列車荷載實際上通過具有一定規格的軌道施加到結構上的,其車道面加載有其特殊性。

分析中考慮鐵路列車荷載加載的特殊性,在“車道面”設置時,分別將“車道寬度”和“W車輪距離”設置為 1.435m,即我國直線標準軌距1.435m。

5 分析與結論

5.1 應力驗算

在荷載長期效應組合情況下,截面上下緣均處于完全受壓狀態。根據JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第 6.3.1的要求,σlt-σpc≤0,可見頂板大部分單元法向拉應力在荷載長期效應組合的條件下滿足規范要求。

在荷載短期效應組合情況下,板單元截面上緣、下緣均沒有出現拉應力。根據JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第6.3.1的要求,σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65= 1.855MPa,可見框構結構頂板單元法向拉應力在荷載短期效應組合的條件下滿足規范要求。

在荷載標準值組合情況下,截面最大主壓應力為 7.91MPa。根據JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第7.1.6的要求,σcp≤0.6 fck=0.6×32.4=19.44MPa,可見框構結構頂板單元的主壓應力在荷載標準值組合的條件下滿足規范要求。

在荷載標準值組合情況下,截面上緣最大壓應力為 7.81MPa,下緣最大壓應力為2.90MPa。根據JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第7.1.5要求,σkc+σpt≤0.5fck= 0.5×32.4=16.2MPa,可見框構預應力頂板單元的法向壓應力在荷載標準值組合的條件下滿足規范要求。

在荷載短期效應組合情況下,截面最大主拉應力值為1.20MPa。根據JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第6.3.1的要求,σtp≤0.5ftk=0.5×2.65= 1.325MPa,可見框構結構頂板單元的主拉應力在短期效應組合的條件下滿足要求。

5.2 強度驗算

分析中,將框構結構作為彈性體進行受力分析計算,所以,將框構橋的應力破壞標準為:結構中主應力不能超過混凝土軸心抗壓強度設計值fcd和軸心抗拉強度設計值ftd,即:fcd=22.4MPa和ftd=1.83MPa,則:主拉應力云圖表明,框構結構單元應力大部分在拉應力0.1MPa～1.1MPa,壓應力在-7.9MPa～-0.1 MPa,可見,框構結構整體強度能得到保證。

6 結語

1)框構橋的橫向分布長度及橫向分布形式對框構橋的內力影響較大,尤其跨徑大,角度斜交的框構,因此本次設計首次在框構橋中引入了預應力。2)預應力框構橋與普通混凝土框構橋的區別較大,需要空間建模分析,計算中注意預應力的模擬。3)由應力云圖可以看出,跨中控制應力是本次設計的重點及難點,需要同時考慮跨中截面強度、截面應力以及撓度,本次設計均滿足要求,安全可靠。4)本次預應力框構的成功設計為鐵路框構橋的設計打開了一條新思路,為斜交大跨徑需特殊設計的框構橋樹立了樣本,其經驗值得推廣。

[1] 鐵道標準設計,鐵路框構橋設計[S].

[2] 王立新.頂進大孔徑框構橋鐵路架空方案的設計及其施工[J].鐵道建筑技術,2009(2):30-32.

[3] 趙文婷.斜支框構橋開裂的有限元分析[J].山西建筑, 2010,36(11):348-349.