2×20m連續(xù)剛構(gòu) -框架墩體系設(shè)計研究

肖登平

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

1 概況

某既有線上跨道路立交,斜交角度約為 22.65°。由于斜交角度較小,且受到橋下凈空限制,采用 2×20 m連續(xù)剛構(gòu) -框架墩結(jié)構(gòu),即縱梁與框架墩橫梁相交并固接,降低結(jié)構(gòu)高度。主橋橋型布置見圖1。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)線路:雙線Ⅰ級鐵路,線間距 4.4m,主橋平面位于 R=5 500m的曲線上;

(2)設(shè)計恒載:結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)采用;二期恒載按 167.4 kN/m計算;支座不均勻沉降按 3mm考慮;

(3)設(shè)計活載:中活載;

(4)設(shè)計行車速度:列車最高運(yùn)行速度 200 km/h;

(5)地震烈度:7度震區(qū)(地震動峰值加速度為0.1g),反應(yīng)譜特征周期值 Tg=0.35 s;

(6)體系溫度根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂虿捎?+25℃,-20℃。日照溫差的影響參照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002?3—2005)之附錄 B執(zhí)行;

(7)環(huán)境:一般大氣條件下無防護(hù)措施的地面結(jié)構(gòu),環(huán)境類別為碳化銹蝕環(huán)境 T1、T2級。

環(huán)境條件按野外一般條件計算,相對濕度取70%。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

本工點(diǎn)橋梁結(jié)構(gòu)采用連續(xù)剛構(gòu) -框架墩結(jié)構(gòu),聯(lián)長 2×20.66m,主縱梁和框架墩橫梁固接。結(jié)構(gòu)如圖2、圖3、圖4所示 。

(1)主縱梁為 2-20 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,梁長 41.32m,采用單箱單室結(jié)構(gòu),梁高 1.8m,梁面寬12m,頂?shù)装搴?30 cm,腹板由跨中 50 cm至梁端支點(diǎn)105 cm漸變,橫向支座中心距為 4.9m,邊跨支點(diǎn)到梁端 0.55m。根據(jù)維修養(yǎng)護(hù)的需要,在梁端底板設(shè)置0.25m×1.5m的槽口。為減少槽口的應(yīng)力集中,在槽口設(shè)置半徑為 250mm的倒角。梁部腹板外側(cè)與底板相交處采用R=20 cm圓弧倒角過渡;懸臂板與腹板相交處采用 R=75 cm園弧倒角過渡。

主縱梁采用單向預(yù)應(yīng)力體系,混凝土強(qiáng)度等級C50。主縱梁中支點(diǎn)截面上緣共布置 6束15-7φ5mm通長鋼束,下緣布置 6束 15-7φ5mm通長鋼束、6束12-7φ5mm短鋼束,兩側(cè)腹板布置 12束 17-7φ5mm通長鋼束。縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用 OVM系列錨具,金屬波紋管成孔,兩端張拉。

(2)框架墩橫梁柱中心距跨度 13m,梁高 2.1m,橫梁與京哈改線正交布置,橫梁高 2.1m,寬 3.2m。

橫梁為實(shí)體矩形截面,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),C50混凝土,橫梁跨中截面上緣共布置 2束 15-7φ5 mm通長鋼束,下緣布置 3束 15-7φ5mm通長鋼束,17束 12-7φ5mm通長鋼束。橫向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用OVM系列錨具,金屬波紋管成孔,兩端張拉。

(3)框架墩立柱高 7m;采用矩形截面,截面尺寸2.2m×1.8m,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

(4)3號墩基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ),每根立柱下采用 5根φ1.25m樁基礎(chǔ)。

(5)支座采用 TGPZ盆式橡膠支座。

(6)線形控制:按預(yù)施應(yīng)力后 60 d鋪設(shè)二期恒載,二期恒載上橋后 6個月開始運(yùn)營計算,恒載 +靜活載的最大豎向變形小于L/1 600,故不設(shè)置預(yù)拱度。

圖1 全橋布置(單位:cm)

圖2 主縱梁 1/2立面(單位:cm)

4 施工方法

采用支架現(xiàn)澆法施工,先施工基礎(chǔ)、框架墩柱;再澆筑墩柱頂部 2m以內(nèi)段落、橫梁混凝土,主梁先澆段混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度,張拉橫梁鋼束;最后澆筑主梁后澆段混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度,張拉縱梁鋼束。

5 結(jié)構(gòu)計算分析

采用西南交大“橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng) BSAS4.26”程序,采用結(jié)構(gòu)分離,通過考慮有效寬度折減,不同荷載組合(計算荷載包括恒載、活載、支座不均勻沉降、溫度變化、預(yù)加應(yīng)力、混凝土收縮、徐變影響等)、體系轉(zhuǎn)換的影響等進(jìn)行平面結(jié)構(gòu)驗算。同時用 MIDAS空間程序整體結(jié)構(gòu)分析計算進(jìn)行校核,空間計算模型見圖5。

主梁和框架墩橫梁固接處的強(qiáng)度安全是設(shè)計的主要控制因素,因此,對該區(qū)域的局部應(yīng)力和構(gòu)造措施進(jìn)行分析和研究。通過建立空間模型,對主梁和框架墩橫梁固接處結(jié)構(gòu)在各種加載工況下做有限元計算。從而為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋼筋配置提供重要依據(jù)。主梁和框架墩橫梁固接區(qū)域內(nèi)的剛臂區(qū)域模擬,通過對梁單元模型中主梁剛域內(nèi)采用約束縱向轉(zhuǎn)角的主從約束,橫梁剛域內(nèi)采用約束橫向轉(zhuǎn)角的主從約束來實(shí)現(xiàn)。同時計算考慮剛域和不考慮剛域兩種情況,進(jìn)行了結(jié)果對照,考慮剛域后總體豎向剛度提高了約 3倍。由于考慮剛域效應(yīng)后,梁單元模型更接近于實(shí)際情況,對豎向撓度有分擔(dān)的效益,對豎向剛度有提高作用。

框架墩為超靜定結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)的剛度和不均勻沉降非常敏感。基礎(chǔ)剛度較大時,主梁、框架墩橫梁設(shè)計不安全,墩柱和基礎(chǔ)設(shè)計較困難;基礎(chǔ)剛度較小時,主梁、框架墩橫梁設(shè)計較困難,墩柱和基礎(chǔ)設(shè)計不安全;所以對于結(jié)構(gòu)不同的部位,需根據(jù)實(shí)際基礎(chǔ)布置采用不同的基礎(chǔ)剛度進(jìn)行驗算。本結(jié)構(gòu)主梁、框架墩橫梁設(shè)計采用 1倍的基礎(chǔ)剛度驗算,墩柱和基礎(chǔ)設(shè)計采用 3倍的基礎(chǔ)剛度驗算。

圖4 縱梁跨中截面(單位:cm)

圖5 空間模型

5.1 基礎(chǔ)剛度計算(表1)

采用樁基計算程序 RBCAD,基礎(chǔ)配置 5根 1.25m樁計算。

表1 基礎(chǔ)剛度計算 kN/cm

5.2 空間結(jié)構(gòu)的剛度拆分計算

1倍基礎(chǔ)剛度計算結(jié)果見表2。

5.3 結(jié)構(gòu)整體特性計算(表3、表4)

根據(jù)振型判斷第四階頻率為豎向基頻,滿足規(guī)范要求,20m簡支梁 80/20=4Hz。

表2 主梁與框架墩橫梁固接點(diǎn)剛度 kN/cm

表3 靜活載作用下梁體變形

表4 主梁動力特性

5.4 主縱梁計算分析

(1)采用 Midas軟件,對空間模型和單獨(dú)的框架墩和主梁平面模型分別計算縱橫梁結(jié)構(gòu)剛度,實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的剛度分離;然后采用平面計算程序 BSAS軟件建立平面主梁模型,將橫梁剛度簡化為彈性支撐作用在主梁上,縱橫梁固接節(jié)點(diǎn)處增加考慮橫梁的恒載和溫度變化的節(jié)點(diǎn)位移,讓固接節(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào)一致,驗算主梁。

(2)主力作用下,主梁上、下緣的正應(yīng)力如圖6、圖7所示(Midas計算)。

圖6 主力作用縱梁上緣的正應(yīng)力(單位:kPa)

圖7 主力作用縱梁下緣的正應(yīng)力(單位:kPa)

(3)主力 +附加力作用下,主梁上、下緣的正應(yīng)力如圖8、圖9所示(Midas計算)。

圖8 主力+附加力作用縱梁上緣的正應(yīng)力(單位:kPa)

圖9 主力+附加力作用縱梁下緣的正應(yīng)力(單位:kPa)

各種工況下的應(yīng)力主要計算結(jié)果見表5。通過計算結(jié)果可以得出,恒荷載(包括結(jié)構(gòu)自重和二期恒荷載)在設(shè)計中起到了主導(dǎo)的因素。縱梁的正截面都處于受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力 13.4MPa。

表5 主梁截面驗算計算結(jié)果(BSAS軟件驗算)

5.5 橫梁計算分析

(1)采用平面計算程序 BSAS軟件建立平面框架墩模型,驗算橫梁時,將主梁剛度簡化為彈性支撐作用在橫梁上,同時在橫梁上加載縱橫梁固接節(jié)點(diǎn)處的支座反力。

(2)主力作用下,縱梁上、下緣的正應(yīng)力如圖10、圖11所示(Midas計算)。

圖10 主力作用橫梁上緣的正應(yīng)力(單位:kPa)

圖11 主力作用橫梁下緣的正應(yīng)力(單位:kPa)

(3)主力 +附加力作用下,縱梁上、下緣的正應(yīng)力如圖12、圖13所示(Midas計算)。

圖12 主力+附加力作用橫梁上緣的正應(yīng)力(單位:kPa)

圖13 主力+附加力作用橫梁下緣的正應(yīng)力(單位:kPa)

各種工況下的應(yīng)力主要計算結(jié)果見表6。由計算結(jié)果可以看出,橫梁的正截面基本上也都是處于受壓的狀態(tài)。橫梁與縱梁相交處的局部應(yīng)力,因采用桿系模型的模擬缺陷計算存在著一定程度上的失真。

表6 橫梁截面驗算計算結(jié)果(BSAS軟件驗算)

5.6 框架墩柱計算分析

墩柱設(shè)計采用 3倍的基礎(chǔ)剛度,地震荷載作用下按照 B類結(jié)構(gòu)設(shè)計,地震放大系數(shù)取 1.5,墩柱底截面控制設(shè)計,截面驗算采用的控制工況內(nèi)力如下:順橋向彎矩 My=6171kN?m,橫橋向彎矩 Mx=4206kN? m,軸向力 N=6236kN,剪力 Q=1336kN。按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)驗算配筋,立柱采用單筋布置,直徑 28mm,間距 10cm。

6 結(jié)語

(1)縱梁與框架墩橫梁固接結(jié)構(gòu),框架墩立柱設(shè)計時應(yīng)保證足夠的柔度,減小縱橫梁的伸縮對框架墩立柱產(chǎn)生過大內(nèi)力。

(2)橫梁與縱梁相交接的區(qū)域,由于桿系模型計算方法的缺陷,應(yīng)力計算存在著失真的情況。桿系模型在橫梁與縱梁相交的區(qū)域應(yīng)力的計算結(jié)果是偏大的,按此應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計偏于安全,實(shí)際應(yīng)力應(yīng)予以折減。

(3)地基基礎(chǔ)的剛度對框架墩梁、墩柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響很明顯,設(shè)計中應(yīng)準(zhǔn)確模擬基礎(chǔ)剛度,同時在結(jié)構(gòu)不同部位驗算時,要采用對應(yīng)的安全數(shù)值去檢算。

(4)主梁與橫梁、橫梁與墩柱連接施工與成橋后體系發(fā)生轉(zhuǎn)換,要求在縱梁與框架墩橫梁固接處、橫梁與墩柱固接處的混凝土分階段澆筑,以符合設(shè)計的目的。

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