寧安鐵路小角度斜交橋異形剛架空間分析研究

田　芳

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢　430063)

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寧安鐵路小角度斜交橋異形剛架空間分析研究

田芳

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063)

南京至安慶鐵路新建工程需跨越321省道，線路與既有道路夾角僅為16.45°。為解決結構高度受限、斜交角度過小的問題，通過多方案比選確定采用(39.6+18.7+41.3+18.7+39.6) m的異形剛架橋，著重介紹開天窗和側窗異形剛架的布置和設計。基于空間分析和動力特性分析總結異形剛架的受力行為和特點，對比分析空間和平面兩種計算方法的差異性。計算結果表明，該結構能夠滿足無砟軌道橋梁的各項強度及剛度要求。

鐵路橋；異形剛架；有限元模型；空間分析

1　工程概況

南京至安慶鐵路新建工程繁昌特大橋位于蕪湖市繁昌縣城郊區，線路穿越山間坳谷，但橋址處地形平坦開闊，地質條件良好，土層自上而下依次為人工填土、粉質黏土、石英斑巖和灰巖，其中粉質黏土、石英斑巖和灰巖的承載力分別為180、450 kPa和1 000 kPa。本橋位于半徑R=4 500 m的緩和曲線上，于DK124+849.01～DK124+924.22處跨越321省道。321省道正寬12.7 m，由于位于城區，繁昌縣將城區范圍內的321省道按城市道路規劃，線路右側34.35 m處已被繁昌縣改建，道路總寬28 m。同時，應蕪湖市公路局道路立交協議要求，新建橋梁工程除滿足道路規劃紅線要求之外，橋下凈空高度不小于5.4 m。

本段鐵路為雙線無砟軌道客運專線，線間距4.6 m，與道路斜交16.45°，屬于小角度斜交橋，橋址平面見圖1。結構設計使用年限為100年，速度目標值為250 km/h。

2　橋式方案及結構形式比選

橋式方案的選擇需在鐵路設計線位的基礎上綜合考慮施工難易度、橋梁美學、后期養護、經濟性指標等因素，結合321省道規劃道路寬度和不小于5.4 m的凈空要求，可供選擇的橋式方案有門式墩+簡支梁、連續剛構和異形空間剛架[1]方案。各方案比選[2]如表1所示。

圖1　橋址平面

表1　各橋式方案比選

方案首先考慮采用門式墩[3]上架設斜交箱梁的形式，門式墩按一個墩立在路中綠化帶考慮，橫梁跨度在20 m以上，縱向寬度2.9 m。對于橫梁，通過計算發現由于跨度過大，在軌道鋪設后收縮徐變上拱會導致上部簡支梁梁端轉角過大，梁部空間受力復雜，且門式墩整體觀感較差，故不采納門式墩結構。

若考慮連續剛構一次跨越，按照道路規劃情況，連續剛構的主跨需要做到150 m，結構形式為跨中梁高5 m，支點處梁高10 m。然而線路穿越山間坳谷，為降低線路高程，降低工程投資，繁昌特大橋跨越321省道處軌底到路面的高度僅為9.05 m，采用連續剛構很難滿足公路的凈空要求。

經過綜合比較，本工程采用異形空間剛架形式，結構為門式框構，頂板梁高1.3 m，梗肋1.5 m×0.5 m，邊墻總高9.8 m。空間剛架結構整體性強，縱橫向聯合受力，結構高度明顯小于同等跨度的梁式橋，同時為了橋下能有足夠的采光滿足交通安全的要求，在異形剛架橋的邊墻及頂板上開了多個側窗和天窗，增加了橋下照明強度和均度，邊墻上開窗尺寸為1.6 m×4.2 m，間距3.13 m，頂板上依據橋面布置，天窗尺寸1.5 m×3.5 m至1.5 m×8.0 m不等，光線從天窗和邊窗上的各個方向照射到橋下路面，避免了全天采用電力照明，但對結構受力有一定影響。

剛架基礎采用條形承臺下接連續布置的φ1.25 m鉆孔樁基礎[4]。全橋跨度為(39.6+18.7+41.3+18.7+39.6) m，橋長158.04 m，垂直公路標準段全寬35 m，施工采用滿堂支架法，施工期間公路交通采用臨時便線過渡[5]，不受橋梁施工干擾。結構平面、立面如圖2、圖3所示。

圖2　剛架橋平面(單位：cm)

圖3　剛架橋立面(單位：cm)

3　模型建立及計算分析

3.1建立模型

正交剛架橋一般取單位長度梁段按平面剛架結構進行計算，但對于小角度斜交剛架橋[6]，按同樣的簡化計算會產生很大的誤差，小角度斜交剛架橋在荷載作用下產生彎、剪、扭耦合，這種空間效應產生的內力將增大，為了考慮斜交剛架橋的空間效應，需借助有限元分析程序進行建模分析。

本剛架自小里程至大里程共分為5個節段，節段1、節段5身長各39.6 m，節段2、節段4身長各18.7 m，節段3身長41.3 m。節段1與節段2、節段4與節段5之間各設3 c m的施工縫，節段2與節段3、節段3與節段4之間各設4 cm的施工縫，銜接處設止水帶。由圖2可知，節段1、5為異形段，平面呈四邊形，寬度沿線路走向變化，節段2、4為標準段，平面呈矩形，為1-16 m剛架，節段3為標準2-16 m剛架，依據結構空間對稱性及平面計算取最不利控制截面的方法，本次空間計算選取第一節段和第二節段進行空間應力分析。

空間計算采用有限元程序Midas-FEA對其建模分析，為全面反映剛架結構實際情況，有限元模型中剛架身及承臺混凝土均采用實體單元。樁-土效應[7]采用FEA中的的“彈性連接”來模擬：首先，樁基6個自由度方向的柔度矩陣[δ]采用橋梁工程師來模擬，從而求得柱樁在6個自由度方向的剛度矩陣[K]。通過填充彈簧單元剛度來模擬實際的樁土效應以及基礎對上部結構的影響[8]。空間有限元模型如下：第一節段模型共有單元158 034個，節點37 699個，如圖4所示，第二節段模型共有單元110 220個，節點24 978個，如圖5所示。

圖4　第一節段模型

剛架采用C40混凝土，彈性模量E=34 000 MPa；剪切模量G=14 620 MPa；泊松比μ=0.2；鋼筋混凝土容重取26 kN/m3，設計恒載考慮了自重，鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層、混凝土基座等線路設備，以及防水層、保護層、人行道或聲屏障、遮板、防護墻、接觸網支柱、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設施重力。在整體結構分析中本次計算采用ZK活載加載計算。結構體系整體升溫采用20 ℃，降溫采用20 ℃，頂板不均勻升溫10 ℃[9]，基礎不均勻沉降按5 mm考慮。

圖5　第二節段模型

荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計[10]。運營階段荷載組合如下。

組合1(主力)：自重+二期恒載+收縮徐變+支座不均勻沉降+列車活載(含動力系數)+橫向搖擺力+離心力[11]。

組合2(主+縱向附加力)：主力+溫度影響+制動力。

組合3(主+橫向附加力)：主力+橫向風力。

3.2空間分析結果

通過有限元分析，在最不利荷載作用下，第一節段剛架最大豎向位移為8.2 mm，第二節段剛架最大豎向位移為11.7 mm。根據《高速鐵路設計規范》[12]，梁部結構在ZK活載靜力作用下，梁體的豎向撓度不應大于L/1 400，在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，梁體的水平撓度應小于或等于梁體計算跨度的1/4 000，因此剛架位移滿足規范要求。

第一節段剛架混凝土最大主拉應力發生于剛架主孔跨頂板底側，最大主拉應力為3.6 MPa，主要表現為橫橋向受拉。此最大主拉應力發生于降溫工況下，主要位于頂板底側天窗孔洞附近。而頂板底側應力大部分處于2.8 MPa以內，因此截取最大拉應力區域截面進行配筋檢算，結果如表2所示。

第一節段側墻最大主拉應力發生于剛架主孔跨側墻外側，最大主拉應力為2.89 MPa。此最大主拉應力發生于升溫工況下，主要位于側墻天窗孔洞附近。側墻其余部分主拉應力均處于2.43 MPa以內，截取最大拉應力區域截面進行配筋檢算，結果如表3所示。

表2　第一節段剛架頂板檢算結果

表3　第一節段剛架側墻檢算結果

第二節段剛架混凝土最大主拉應力發生于剛架頂板底側，最大主拉應力為4.91 MPa，主要表現為橫橋向受拉，且最大主拉應力發生于降溫工況下。截取最大拉應力區域截面進行配筋檢算，結果如表4所示。

表4　第二節段剛架頂板檢算結果

第二節段側墻最大主拉應力發生于剛架側墻外側，最大主拉應力為4.0 MPa。此最大主拉應力發生于升溫工況下，主要位于側墻天窗孔洞附近且側墻上半部分，截取最大拉應力區域截面進行配筋檢算，結果如表5所示。

表5　第二節段剛架側墻檢算結果

經檢算，結構的截面強度、裂縫寬度等指標均滿足規范要求[13]。

3.3空間分析與平面分析的對比

經空間應力分析之后，獲得最不利工況組合下剛架的最不利位置、配筋、受拉鋼筋應力和裂縫值，與平面分析的相應控制截面進行對比。平面分析采用橋梁博士程序計算，設計荷載含自重、二期恒載、活載、收縮徐變、不均勻沉降、溫度荷載等，梁部按以下3個工況進行計算：(1)第2節段和第4節段按1-16 m剛架計算，分別在端部和跨中加載包絡計算；(2)第3節段按2-16 m剛架計算，分別在單孔跨中和中墻位置加載(此節段經平面計算不控制設計，未進行空間實體分析)；(3)第1節段和第5節段剛架跨度左右不等，一側按1-16 m剛架計算，在端部加載(同第(1)工況)，另一側按(1-16+1-10) m和1-10 m剛架計算，分別在10 m剛架跨中和中墻位置加載。墩柱單元分別按實體單元和開孔單元兩種方式模擬。平面計算結果及與空間分析結果對比見表6。

由表6可知，平面分析結果較為保守且空間實體分析結果與平面分析結果存在一定誤差，通過分析造成誤差的原因主要有以下3個方面。

(1)平面分析中橫框計算采用的是特種ZK活載檢算，而剛架空間實體分析采用的標準ZK活載進行檢算。因此平面分析采用的活載較大，按鐵路規范取平面計算的配筋結果應是較為保守的。

(2)空間實體分析中，實體單元是不能直接得到截面內力的。四面體單元離散的無規則性和單元尺寸大小、方向的限制，會使得通過截取截面提內力的方法，在提取內力的過程中導致一定程度上的失真。因此通過空間實體分析中的應力反推內力，再進行鋼筋混凝土結構的配筋計算會帶來一定的誤差。

表6　空間分析與平面分析結果對比

(3)平面分析中橫框計算采用的是橋梁博士軟件，對于荷載組合包絡計算，橋梁博士軟件有時候會將不可能同時存在的荷載單項一并組合，從而導致所提內力偏大，配筋結果偏大。

綜上所述，空間分析結果較為真實，平面結果較為保守。兩者在分析異形空間剛架時可以起到相互校核參考的作用。

3.4結構自振特性分析

自振頻率既反映了結構剛度大小，又是結構動力特性的重要參數。為了得到第一節段和第二節段典型

振型自振頻率，先后對空間有限元模型進行特征值分析。由表7、表8可知，剛架一階振型主要為橫向振動[14]，一階豎向自振頻率[15]分別為6.771 Hz和6.024 Hz，結構剛度指標良好。

表7　第一節段自振頻率

表8　第二節段自振頻率

4　結語

(1)在結構高度受限、斜交角度過小等客觀條件的制約下，本設計解決了工程實際中的一個難題，同時通過創新增加頂板天窗的做法解決了橋下照度不夠的問題，節約了能源，為同類型橋梁的設計提供了一定的參考。

(2)通過空間分析計算，本結構能夠滿足無砟軌道的各項強度及剛度要求，且工程具有結構高度低、結構整體性好、安全可靠的優點，適用于鐵路與公路、鐵路與鐵路交叉角度小的立交橋，具有一定的實用價值。

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Spatial Analysis of Nanjing-An’qing Railway Small Angle Special Shaped Rigid Frame

TIAN Fang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Nanjing to Anqing railway construction project traverses over No.321 provincial road，and the angle between the new line and the existing road is only 16.45°.In order to solve the structure height restriction and small skew angle，(39.6+18.7+41.3+18.7+39.6) m rigid frame of special shape is selected after bridge type comparison.The paper focuses on the arrangement and design of the special shaped rigid frame with skylight and side window.The behavior and characteristics of the special shaped rigid frame are summarized，and the differences between two calculation methods of spatial and plane are compared and analyzed.The calculation results show that the structure can meet the requirements of the strength and stiffness of ballastless track bridge.

Railway bridge; Special shaped rigid frame; Finite element model; Spatial analysis

2016-03-07；

2016-03-31

田芳(1986—)，女，工程師，2011年畢業于北京交通大學土木工程學院橋梁與隧道工程專業，工學碩士，主要從事橋梁工程設計與研究工作。E-mail：249904339@qq.com。

1004-2954(2016)10-0072-04

U448.17

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.017