簡支道岔梁設(shè)計(jì)

朱先意

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 工程概況

該橋是某鐵路工程新建的一座特大橋，為雙線橋變四線橋。最寬的一孔道岔梁采用10片簡支T梁，橋面寬20.7 m，梁長24.6 m。道岔梁上橫向設(shè)置10個(gè)支座，支座均位于各T梁腹板中心位置。

2 設(shè)計(jì)原則

結(jié)構(gòu)形式:橋梁計(jì)算跨度為24 m，全長24.6 m，梁高2.5 m，軌底至梁底建筑高度為3.2 m;中梁頂寬1.7 m，邊梁頂寬2.2 m，下緣寬均為0.98 m。

道岔布設(shè)要求:道岔設(shè)在簡支梁上時(shí)，應(yīng)滿足道岔活動(dòng)部分(尖軌、心軌)不跨越梁縫，且應(yīng)盡量遠(yuǎn)離梁縫，尖軌和心軌尖端距梁端距離均不小于2.5 m。橋面橫向應(yīng)為整體式結(jié)構(gòu)，即道岔側(cè)股不應(yīng)跨越縱向梁縫。橋梁橫向布置如圖1所示。

2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

全線標(biāo)準(zhǔn):設(shè)計(jì)時(shí)速120 km的重載鐵路，雙線有砟軌道，設(shè)計(jì)活載“中－活載(2005)之ZH活載”。地震基本烈度為6度。

圖1 橋梁橫向布置(單位:mm)

2.2 材料及主要參數(shù)

(1)混凝土

采用 C55混凝土，E=3.6e4 MPa，偏心受壓［σb］=16.8 MPa。

(2)鋼絞線

縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，公稱面積140 mm2，執(zhí)行GB/T5224—2003標(biāo)準(zhǔn)。

3 整體模型計(jì)算

3.1 Midas梁格劃分

采用空間梁格法對(duì)多片道岔T梁進(jìn)行分拆。梁格劃分時(shí)，沿腹板中心線將梁部結(jié)構(gòu)劃分為10個(gè)縱梁，縱梁的慣性矩按繞上部結(jié)構(gòu)主軸計(jì)算。取跨中代表區(qū)域內(nèi)的箱梁剛度，分別計(jì)算縱梁的扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度及剪切面積。

3.2 Midas梁格模型

梁格分拆的有限元模型和消隱的實(shí)體如圖2所示。10根縱梁間利用間距為4.0 m的橫隔梁連接，橫隔梁剛度計(jì)算中采用細(xì)腹板連接的兩矩形實(shí)體截面模擬。

圖2 整體有限元模型

3.3 計(jì)算結(jié)果

(1)結(jié)構(gòu)自振頻率

自振頻率限值按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)第5.1.3條預(yù)應(yīng)力混凝土梁執(zhí)行。道岔梁的計(jì)算自振頻率如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

計(jì)算跨徑為24 m的簡支梁，豎向自振頻率限值為n0=23.2=23.58×24－0.592=3.593 Hz，豎向自振頻率滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)結(jié)構(gòu)變形及剛度

梁體的豎向撓度計(jì)算采用中—活載(2005)之ZH活載，四線橋取1線與2線、1線與3線、2線與4線、道岔與4線、1線與2線及3線活載的最大值，豎向撓度計(jì)算最不利結(jié)果為2線與4線的活載組合。計(jì)算撓跨比結(jié)果為1/4 214，滿足豎向撓跨比限值1/3 300。

在中—活載(2005)之ZH活載作用下，最大梁端轉(zhuǎn)角為2線和4線組合下活載，最大向下轉(zhuǎn)角0.705×10－3rad，最大向上轉(zhuǎn)角 0.682×10－3rad，滿足“在活載作用下，梁端豎向折角不應(yīng)大于1.5‰”的設(shè)計(jì)要求。

在列車橫向搖擺力、風(fēng)力和溫度的作用下，梁體的水平撓度為0.126 mm，撓跨比則為1/190 476，主橋橫向剛度滿足“梁體的水平撓度應(yīng)不大于梁體計(jì)算跨度的1/4 000”的設(shè)計(jì)要求。

(3)運(yùn)營荷載下混凝土應(yīng)力

根據(jù)《鐵路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)第 6.3.10、6.3.11條的要求，混凝土構(gòu)件的正截面混凝土的應(yīng)力及斜截面混凝土的主拉應(yīng)力應(yīng)滿足如下要求。

壓應(yīng)力:σc≤0.5fc=0.5×37.0=18.5 MPa

主拉應(yīng)力:σct≤0.7fct=0.7×3.3=2.31 MPa

縱梁采用PSC截面，計(jì)算的運(yùn)營荷載下各截面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和主應(yīng)力如表2所示。

表2 主梁設(shè)計(jì)應(yīng)力 MPa

(4)支反力

各支座反力見圖3。各工況最大、最小反力見表3。

圖3 主力組合支點(diǎn)反力

表3 各工況支點(diǎn)反力kN

4 縱向計(jì)算

4.1 模型介紹

本橋?yàn)閱慰?4 m簡支道岔梁，采用西南交通大學(xué)橋梁分析軟件BSAS計(jì)算，模型如圖4所示。

4.2 主要計(jì)算成果

圖4 縱向計(jì)算

表4 截面應(yīng)力 MPa

運(yùn)營階段截面應(yīng)力如表4所示。應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3－2005)第6.4.13、6.4.14條的要求。

運(yùn)營階段截面強(qiáng)度如表5所示。

5 橫向設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果

5.1 橫向模型介紹

表5 截面強(qiáng)度

(1)主梁變形及剛度驗(yàn)算

活載作用下的撓度值:

靜活載作用下最大撓度值－5.97 mm(向上變形為“+”，向下變形為“－”)，為跨度的1/4 020.1(小于1/3 300)，比整體模型計(jì)算結(jié)果1/4 214稍大，結(jié)構(gòu)安全。

恒載撓度值及預(yù)拱度設(shè)置:

恒載作用下引起的最大撓度值9.63 mm(向上變形為“+”，向下變形為“－”)，靜活載引起的豎向撓度為－5.97 mm。預(yù)拱度按(恒載+1/2活載)撓度值反向設(shè)置，理論計(jì)算跨中預(yù)拱度值為6.645 mm(向下)，其他位置按二次拋物線過渡。

(2)梁端豎向折角和工后徐變

在活載作用下，梁端豎向折角為0.793‰ ＜1.0‰(rad)。

本設(shè)計(jì)二期恒載上橋時(shí)間按預(yù)加應(yīng)力后90天計(jì)算，理論計(jì)算殘余徐變拱度值為2.61 mm，小于限值20 mm，滿足要求。

(3)施工階段溫度組合檢算結(jié)果

施工階段混凝土應(yīng)力驗(yàn)算根據(jù)橋規(guī) TB10002.3—2005的第6.4.4條進(jìn)行，本橋張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)混凝土強(qiáng)度已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的100%，故壓應(yīng)力允許值0.75fck

'=0.75×1.00×37.0=27.75 MPa，拉應(yīng)力允許值0.70ftk

'=0.70×1.00×3.30=2.31 MPa。從計(jì)算結(jié)果可見，施工階段混凝土未產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為11.26 MPa＜27.75 MPa，滿足規(guī)范要求。

(4)架橋機(jī)運(yùn)架梁檢算結(jié)果

架橋機(jī)運(yùn)梁階段滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)

按不同頂板與腹板厚度分類，順橋向取單位長度的主梁梁體，簡化成框架，模型單元采用梁單元，邊界條件為在各腹板中心線處簡支。

根據(jù)分析，跨中截面最為不利，截面左右對(duì)稱，取其左半部對(duì)其分析。懸臂端部厚0.32 m，懸臂根部厚0.42 m，腹板厚度為0.36 m，縱向長度取1.0 m。

縱向取1 m梁段，按照支撐設(shè)在腹板底端的橫向框架為結(jié)構(gòu)模型，采用橋梁結(jié)構(gòu)專用有限元程序進(jìn)行計(jì)算。橫向共71個(gè)節(jié)點(diǎn)，70個(gè)單元，單元?jiǎng)澐忠妶D5。

圖5 單元離散圖

5.2 橫向荷載分布

采用以下組合進(jìn)行控制截面處的應(yīng)力檢算。

組合1:自重+二期恒載+收縮徐變+列車荷載;

組合2:自重+二期恒載+收縮徐變+脫軌荷載2(向左脫軌);

組合3:自重+二期恒載+收縮徐變+脫軌荷載2(向右脫軌)。

5.3 截面檢算

截面橫向受力分別按圖6取控制截面處進(jìn)行，按規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力和裂縫檢算。

圖6 單元離散圖

根據(jù)受力特點(diǎn)用受彎構(gòu)件進(jìn)行檢算。

經(jīng)計(jì)算最不利荷載組合下的檢算結(jié)果為荷載組合3，如表6所示。

通過以上結(jié)果可知，主梁在最不利組合下的各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

表6 檢算結(jié)果

6 結(jié)束語

通過對(duì)10片道岔區(qū)T梁的整體有限元分析與采用梁單元的縱向分析的撓度指標(biāo)相比較，梁單元程序計(jì)算的撓度值略大于整體有限元的計(jì)算結(jié)果，采用梁單元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力分析偏于安全。

本梁的設(shè)計(jì)滿足了站場道岔軌道布置，為簡支橋梁上設(shè)置道岔提供了實(shí)例，具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效應(yīng)，對(duì)類似道岔梁設(shè)計(jì)提供了參考。

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