下穿鐵路斜交框架橋受力分析

張 超

(中鐵工程設計咨詢集團鄭州設計院，河南 鄭州 450000)

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下穿鐵路斜交框架橋受力分析

張 超

(中鐵工程設計咨詢集團鄭州設計院，河南 鄭州 450000)

斜交框架橋受力比較復雜，如果設計不當會出現開裂現象。本文以河南省濟源市下穿鐵路斜交框架橋為工程背景，采取直角補齊異性正交設計，通過有限元軟件MIDAS建立三維空間板單元模型，計算分析結構受力特性，進而總結出配筋特點，可為同類斜交框架橋的設計提供參考與指導。

下穿鐵路；斜交框架；受力分析

1 斜交框架橋受力分析方法

通常框架橋多按照平面變形問題進行受力分析，主要采用平面桿系軟件如《地道橋CAD系統》進行結構計算配筋。但是對于一些斜交框架橋尤其是大斜交角度情況下，框架橋內任一截面都存在復雜的彎、剪、扭復合作用，受力情況非常復雜，傳統的結構力學結合平面桿系有限元計算方法已不符合大斜交角度框架橋的受力特點，其計算結果與工程真實受力狀態誤差較大，無法滿足工程實際需要。因此對于此類斜交框架橋有必要建立其三維空間計算模型，并合理的對荷載和約束在空間上進行簡化，以研究結構的空間力學特性。

本文借助于橋梁有限元分析軟件Midas Civil2015建立大斜交角度框架橋三維空間模型。按照結構模型、幾何特性、邊界條件等與實際結構一致，同時可正確反映各工況下結構受力特性和荷載狀況的原則，采用空間板單元模擬，底板與土的相互作用按文克爾彈性地基模型建立，并在模型中采用面彈性支撐，用受壓彈簧模擬彈性地基。

2 工程概況

本工程地處河南省濟源市，為溫邵線罡頭至李八莊一級公路改建工程在玉陽村南下穿五三一專用鐵路，橋位處鐵路位于曲線段，曲線半徑300 m。該公路下穿既有鐵路采用(12+12)m現澆兩孔連續框架橋，道路與鐵路夾角為33.8°，箱橋按斜交角32.2°設計。箱橋凈空≥5.0 m。箱橋結構高度9.5 m，其中箱橋頂板厚1.3 m，底板厚1.4 m，中墻厚1.2 m，側墻厚1.2 m。該箱橋由于斜交角度較大，

因此決定采用直角補齊、異性正交設計的方法，以改善結構整體受力，避免外部扭轉引起的不利影響和斜交應力集中問題。

3 建模分析

3.1 設計荷載

包括：①恒載：框架橋自重、二期恒載、側墻土壓力；②鐵路活載：中—活載(2005)、列車沖擊力、列車活載土壓力；③城市活載：城—A；④其他：混凝土收縮徐變、溫度效應。

3.2 結構模型

通過橋梁有限元軟件Midas Civil2015建立全橋模型，研究其空間受力特性。結構有限元模型如圖1，其中板的面內外厚度均采用實際厚度，全橋共有678個節點，898個板單元。

3.3 荷載組合

①恒載+列車+兩側活載土壓力；②恒載+兩側活載土壓力；③恒載+列車+單側活載土壓力④恒載+單側活載土壓力⑤恒載+汽車+兩側活載土壓力；⑥恒載+列車+汽車+兩側活載土壓力。

3.4 結果分析

不同荷載組合條件下對框架橋頂、底板、邊板的影響不同，因此本文取其最不利情況進行分析，根據跨中和支撐邊的內力大小、主彎矩方向及板的幾何特性來確定合理配筋方案。圖1為全橋主彎矩圖。

圖1 彎矩圖

根據圖1所示，可以得出該斜交框架橋的力學特性如下：

(1)內力分布不均勻主要出現在該框架橋的頂板和底板區域，而且在側墻和頂、底板連接處內力較大；

(2)框架橋頂板和底板鈍角處有最大正彎矩(紅色部分)存在，框架橋跨中部分存在最大負彎矩；

(3)主彎矩方向呈現出垂直于邊墻的特點，且頂板與中墻連接處彎矩大于頂板與邊墻連接處彎矩值；

(4)在頂板和豎墻連接部位正彎矩和負彎矩大小都呈現出由鈍角處向銳角處逐漸減小的趨勢。

本文作者根據從空間有限元模型受力特性分析結果總結出如下幾點斜交角度框架橋的配筋特點：

①頂底板內主筋應伸到立墻內，且與立墻內豎向主筋焊接，形成封閉式主筋，這樣有利于結構抗扭。

②頂底板在鈍角處會產生較大的正彎矩，而且與框架橋跨徑方向并不一致。因此可在頂底板鈍角位置垂直于平分線方向增設加強鋼筋，以承受正彎矩；在頂底板鈍角位置下部平行于鈍角平分線方向增設加強鋼筋，以承受板底拉力。

③在頂板與豎墻相交處存在較大彎矩和剪應力，而且這些力呈正反交替的規律作用在頂板上可能會產生交叉裂縫，因此在頂板與豎墻相交處增設加強鋼筋，加強鋼筋可以起到更好的固定軸向鋼筋作用，從而減少相交處裂縫的產生。

4 結 論

斜交框架橋的受力特性和正交框架橋比起來還是存在較大差別，其在鈍角處承受了較大的彎矩、剪力及扭矩，若按照常規正交框架橋采用平面框架結構進行計算分析，所得結果誤差會很大。同時為避免由于斜交角度過小而出現應力集中和外部扭轉問題，可在框架橋兩端采取直角補齊、異性正交設計以改善結構受力性能。隨著下穿鐵路斜交框架橋的日益增多，應根據具體的斜交角度結合有限元軟件MIDAS建立三維空間板單元模型，對斜交框架結構進行力學計算分析，正確分析其受力狀況，重點關注框架橋邊腹板連接處、跨中以及鈍角處內力結果，以合理指導配筋。

[1] 范軍琳.大斜交角度鐵路框架橋結構受力分析[J].鐵道建筑技術，2010，(10)：19-22.

[2] 趙勇.下穿鐵路斜交框架橋受力分析[J].鐵道勘察，2015，(6)：91-93.

[3] 周家新.下穿鐵路斜角框架橋的空間結構分析[J].鐵道建筑，2005，(7).

2016-03-11

張超(1989-)，男，河南孟州人，助理工程師，研究方向：橋梁設計。

U24

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1008-3383(2016)11-0080-02