下穿既有鐵路大斜交框架橋結(jié)構(gòu)分析

尤廣杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450001)

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下穿既有鐵路大斜交框架橋結(jié)構(gòu)分析

尤廣杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450001)

大斜交角的板橋計(jì)算在國(guó)內(nèi)外尚未形成完整的理論體系。焦作市人民路下穿新月鐵路工程，道路與鐵路右偏23.2°。結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用Midas civil軟件建立厚板單元的三維空間模型，分析常見(jiàn)斜交結(jié)構(gòu)形式和改進(jìn)的斜交結(jié)構(gòu)的受力特征。結(jié)果表明，改進(jìn)的斜交框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯降低，更方便結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)，顯著減小了施工難度。

框架橋 斜交 厚板單元 結(jié)構(gòu)分析

隨著城市道路建設(shè)的快速發(fā)展，占地少、 投資小且施工方便的框架結(jié)構(gòu)被大量采用[1]，斜交框架結(jié)構(gòu)日益增多。斜交板橋計(jì)算理論尚未形成完整的理論體系，現(xiàn)行橋梁規(guī)范中對(duì)大斜交角的情況也沒(méi)有給出明確規(guī)定，這給斜交框架立交橋的設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)一定困難[2，3]。一般設(shè)計(jì)和施工的框架橋斜交度≤30°比較常見(jiàn)，但是對(duì)于斜交角度更大(特別是大于45°的情況)[4]，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析，對(duì)斜交框架結(jié)構(gòu)形式也應(yīng)該加以改進(jìn)。結(jié)合焦作市人民路下穿新月鐵路框架橋的方案設(shè)計(jì)情況，對(duì)一般的斜交結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后的斜交結(jié)構(gòu)分別用Midas civil進(jìn)行有限元空間計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 工程概述

焦作市人民路下穿新月下行鐵路，道路與鐵路夾角為23.2°，交叉處鐵路里程為K64+671.3。橋位處既有鐵路為高路基，鐵路軌面比兩側(cè)地面高約4 m，鐵路為單線電氣化無(wú)縫線路，橋位處道路、鐵路平面位于直線段。道路規(guī)劃?rùn)C(jī)動(dòng)車道寬15.5 m，非機(jī)動(dòng)車道寬4.5 m，人行道寬4.0 m。在方案設(shè)計(jì)階段，需要確定結(jié)構(gòu)形式和尺寸。考慮規(guī)劃的道路中線、交叉角度、橫斷面和地形現(xiàn)狀等影響因素，左右兩幅路分別采用3孔連續(xù)框構(gòu)形式，每幅框架橋跨徑為(8.5+8.5+8.5) m，考慮縱坡影響及保證管道從框構(gòu)非機(jī)動(dòng)車道路面下穿過(guò)，結(jié)構(gòu)凈高設(shè)為7.7 m。垂直路基方向橋長(zhǎng)12.1 m，斜長(zhǎng)(洞身方向)30.70 m。橋上軌底至框構(gòu)頂板頂?shù)母叨炔恍∮?.8 m。方案設(shè)計(jì)階段論證了兩種框架結(jié)構(gòu)形式，為便于結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算比較，兩種結(jié)構(gòu)采用相同厚度，結(jié)構(gòu)頂板厚1.3 m，底板厚1.45 m，邊墻厚1.1 m(正尺寸)。

常見(jiàn)斜交框架結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1，其單孔斜向跨度達(dá)21.57 m。為改善因斜交引起的應(yīng)力集中與扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，將斜交框構(gòu)設(shè)計(jì)為框構(gòu)兩端補(bǔ)角成長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，這里稱為改進(jìn)的斜交結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。

圖1 斜交框架總體布置(單位：m)

圖2 改進(jìn)的斜交框架總體布置(單位：m)

2 空間結(jié)構(gòu)模型的建立

分析斜交框架橋時(shí)通常有2種計(jì)算方法，一種是取1 m寬度，按斜交跨度的剛架來(lái)分析，適用于斜度相對(duì)較小的情況；另一種是按厚板理論，用空間有限元對(duì)斜交框架進(jìn)行三維分析[5]。本工程利用Midas建立厚板模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析，厚板單元考慮了板橫向剪切作用，按各板的中心面建立模型[6]，框架角部不考慮梗腋的加強(qiáng)作用，按等厚板分析。2.1 荷載取值[7]

(1)恒載

主要包括結(jié)構(gòu)自重及線路上部建筑的重量、框架兩側(cè)靜土壓力、混凝土收縮影響和非機(jī)動(dòng)車道內(nèi)填土荷載。

①結(jié)構(gòu)自重及線路上部建筑的重量：結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)入，容重設(shè)定為26 kN/m3；碎石道碴、橋頂防水層和鐵路電纜槽等線路上部建筑的重量按照21 kN/m2均布荷載計(jì)算[8]。

②在框架兩側(cè)的土體側(cè)向壓力：按庫(kù)倫理論(楔體極限平衡理論)所推導(dǎo)的主動(dòng)土壓力計(jì)算。土的側(cè)向壓力為梯形分布，作用方向可認(rèn)為是水平的。本橋?yàn)殡p幅結(jié)構(gòu)，雙幅橋中間采用混凝土封端填砂，所以靠近道路中心線一側(cè)墻體按不受土壓力計(jì)算。

③混凝土收縮：混凝土收縮的影響可按降低溫度的方法來(lái)計(jì)算。結(jié)構(gòu)為整體灌注的鋼筋混凝土?xí)r，相當(dāng)于降低溫度為15 ℃，線膨脹系數(shù)取0.000 01。混凝土的收縮影響，主要是頂板的收縮。

(2)活載

主要包括列車豎向靜活載、豎向沖擊力、活載引起的水平土壓力和道路活載。

①列車活載采用“中—活載”。需要選取最不利的行車情況下所產(chǎn)生的列車均布活載作為計(jì)算列車活載，車道寬度B由列車橫向分布的影響范圍確定[9]。在MIDAS中，可采用影響面分析得到最不利荷載。本橋按照簡(jiǎn)化取值計(jì)算，按照特種活載均布橋頂面布置。

②根據(jù)規(guī)范[3]，頂板填土厚度h<1 m，1+μ=1+6α/(30+L)，α=4(1-h)≤2，L為橋跨長(zhǎng)度。對(duì)于本工程，1+μ=1.24。

③列車活載作用于主體框架邊墻上的側(cè)向水平土壓力P按下式計(jì)算：P=ξqh，式中qh=165/(2.5+h)(kN/m2)，為在軌底以下深度h處活載的豎向壓力強(qiáng)度。ξ為系數(shù)，填土?xí)r采用0.25～0.35，本橋取0.3。同靜土壓力，本橋按一側(cè)墻體受土壓力或者不受土壓力進(jìn)行荷載組合計(jì)算，取其最不利工況。

④道路活載：公路荷載以簡(jiǎn)化荷載來(lái)代替[10]。對(duì)于本橋，機(jī)動(dòng)車道荷載近似按照城市—A級(jí)在中墻方向10 m內(nèi)分布。非機(jī)動(dòng)車道活載按60 kN荷載均布于10 m長(zhǎng)邊跨范圍。人行道荷載對(duì)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響很微小，可忽略不計(jì)。

(3)附加力

微生態(tài)制劑源自于微生態(tài)學(xué)原理學(xué)，其具有保護(hù)或調(diào)節(jié)微生態(tài)平衡的功能，通過(guò)對(duì)宿主產(chǎn)生益生菌或者通過(guò)促進(jìn)有益物質(zhì)生成而制備成的制劑，主要起到預(yù)防、調(diào)節(jié)和治療疾病的作用。平板菌落計(jì)數(shù)法是將待測(cè)樣品經(jīng)過(guò)適當(dāng)稀釋，將稀釋后的樣品在一定條件下進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)后得到的樣品中所含菌落的數(shù)量，在一般情況下認(rèn)為將一個(gè)肉眼直觀可以看見(jiàn)的菌落代表一個(gè)單細(xì)胞。選擇一個(gè)合適的稀釋度并乘以相應(yīng)的稀釋倍數(shù)就可以比較準(zhǔn)確地獲得樣品中微生物的具體數(shù)量。平板菌落計(jì)數(shù)法以其具有良好的重復(fù)性，并可以相對(duì)準(zhǔn)確地體現(xiàn)樣品中活菌數(shù)量的優(yōu)點(diǎn)，成為了如今我國(guó)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所認(rèn)定可行的方法，并且在食品藥品研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

主要包括溫度力和制動(dòng)力。

制動(dòng)力按列車豎向靜活載的10%計(jì)算。

計(jì)算該橋溫度變化影響時(shí)，按整個(gè)結(jié)構(gòu)升降溫15°計(jì)算。

2.2 邊界條件

按照彈性地基的方法來(lái)模擬周邊土對(duì)框架的約束。本工程所處位置地層主要為粉土、粉質(zhì)黏土與粉砂。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本橋基位于粉土層，地基承載力110 kPa，地下水位于板底以下。基于地質(zhì)條件，Midas中底板與土的作用力采用節(jié)點(diǎn)彈簧來(lái)模擬，基床系數(shù)取K=10 000 kN/m3[11]，平面方向基床系數(shù)近似取豎直方向的1/5[12]。

2.3 荷載組合

恒載、活載和附加力作用對(duì)結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的最大、最小內(nèi)力等最不利效應(yīng)的影響不同，在荷載組合時(shí)要考慮到所有的可能組合： ①恒載+列車；②恒載+一側(cè)活載土壓力；③恒載+列車+一側(cè)活載土壓力；④恒載+列車+道路活載；⑤恒載+一側(cè)活載土壓力車+道路活載；⑥恒載+列車+一側(cè)活載土壓力+道路活載；上面各種組合疊加附加力荷載。

2.4 空間模型

由于本橋斜交角大于45°，為保證計(jì)算精度，防止板單元形狀畸形，在墻體和頂?shù)装逑嘟惶幉捎萌切伟鍐卧溆辔恢貌捎谜倪呅伟鍐卧⒛Ｐ汀Ｐ苯唤Y(jié)構(gòu)模型共2520個(gè)板單元，見(jiàn)圖3；改進(jìn)斜交模型共3470個(gè)板單元，見(jiàn)圖4。

圖3 斜交結(jié)構(gòu)模型

圖4 改進(jìn)斜交結(jié)構(gòu)模型

3 結(jié)構(gòu)分析

不同的荷載組合對(duì)于頂板、底板、邊板的影響不同，根據(jù)以上分析的各種荷載組合計(jì)算，得到最不利荷載組合下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。分析表明，框架的頂板受力趨勢(shì)較邊墻和底板更能反映斜交框架的受力特點(diǎn)，簡(jiǎn)要取頂板計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，板單元內(nèi)力值均為單位寬度的內(nèi)力值。

圖5 斜交結(jié)構(gòu)順鐵路方向單元彎矩等值線

圖6 改進(jìn)斜交結(jié)構(gòu)順鐵路方向單元彎矩等值線

圖5、圖6分別為兩種結(jié)構(gòu)順鐵路方向的彎矩圖，分析得到：

(1)兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布不均勻，但有相似性，主要在頂板、底板，邊、中墻與頂板、底板連接位置內(nèi)力較大，鈍角效應(yīng)明顯。

(2)兩種結(jié)構(gòu)的最大彎矩值及發(fā)生位置比較見(jiàn)表1。在斜交結(jié)構(gòu)最大負(fù)彎矩發(fā)生區(qū)域，改進(jìn)的斜交結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩值為240 kN·m，約為斜交結(jié)構(gòu)的0.4倍。其次，改進(jìn)的斜交結(jié)構(gòu)在兩端補(bǔ)角部分區(qū)域，相比中跨和邊孔跨中位置正彎矩值較大，結(jié)構(gòu)在此補(bǔ)角部分頂進(jìn)完畢后應(yīng)立即澆筑堵墻封閉，減少此部分結(jié)構(gòu)彎矩作用。

圖7、圖8分別為兩種結(jié)構(gòu)橫鐵路方向的彎矩圖，分析得到：橫鐵路方向受力特征與順鐵路方向受力特征相似，仍具有鈍角效應(yīng)，頂板、底板與邊、中墻連接位置內(nèi)力較大。對(duì)于一般的斜交結(jié)構(gòu)，若橫鐵路長(zhǎng)度與順鐵路方向跨長(zhǎng)之比不是很大，則橫鐵路方向彎矩相比順鐵路方向彎矩會(huì)較小。斜交結(jié)構(gòu)橫鐵路方向最大正彎矩值為1 195 kN·m，最大負(fù)彎矩為462 kN·m，橫鐵路向最大正彎矩約為順鐵路向最大正彎矩的0.6倍。改進(jìn)的斜交結(jié)構(gòu)最大正彎矩值為1 121 kN·m，最大負(fù)彎矩為407 kN·m，橫鐵路向最大正彎矩約為順鐵路向最大正彎矩的1.05倍，采用此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)橫鐵路方向的配筋。

表1 兩種結(jié)構(gòu)順鐵路方向彎矩最值及發(fā)生位置比較

圖7 斜交結(jié)構(gòu)橫鐵路方向單元彎矩等值線

圖8 改進(jìn)斜交結(jié)構(gòu)橫鐵路方向單元彎矩等值線

4 結(jié)論

大斜交框架橋結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，需要采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算。改進(jìn)的斜交結(jié)構(gòu)與常見(jiàn)的斜交結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布具有相似性，但是內(nèi)力值得到有效的降低，使其成為可實(shí)施的結(jié)構(gòu)方案，且改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)避免了既有線斜交框架橋頂進(jìn)所需的底板錯(cuò)臺(tái)，相比常采用的斜交結(jié)構(gòu)造價(jià)更低，施工更方便。結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)中，可以按照實(shí)際的荷載大小、位置和邊界條件，采用有限元空間分析的方法計(jì)算內(nèi)力，同時(shí)結(jié)構(gòu)頂板和底板可劃分為梁格單元，進(jìn)行車輛的影響線加載，對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件驗(yàn)算更方便且結(jié)果可靠。

[1] 李家穩(wěn).地道橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2011

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Structural Analysis of Large Skew Frame Bridge Under Existing Railways

YOU Guangjie

2016-07-06

尤廣杰(1982—)，男，2010年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)05-0098-03

U442.5

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