鐵路斜交鋼筋混凝土剛構連續(xù)梁設計研究

汪　禹

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢　430063)

0　引言

鐵路常采用斜交剛構跨越既有的斜交道路與河流溝渠，固結的剛壁墩增強了橋梁整體性和抗震性，保證橋下道路行車視距通暢，并能有效降低主梁結構高度和工程造價。本文以時速250 km高速鐵路斜交剛構為例，結合主要設計原則及技術參數(shù)，比較結構整體式與雙線分離的受力特點，并分析基礎剛度、剛壁墩壁厚對結構配筋的影響。

1　適用范圍

鐵路斜交剛構連續(xù)梁一般采用中墩與梁部固結，邊墩及橋臺采用活動支座。固結的主墩與梁部增強了橋梁整體性和抗震性，而梁部、橋墩均可斜交斜做，與鐵路跨越的斜交道路、河流相適應協(xié)調，其能有效減小主梁結構高度。常見的鐵路剛構連續(xù)梁跨徑組合及斜交角度如表1所示。

表1　常見鐵路剛構連續(xù)梁跨徑組合及斜交角度

2　主要設計原則和技術參數(shù)

2.1　主要設計原則

1)適用范圍：適用于時速250 km高速鐵路；

2)設計速度：250 km/h；

3)線路情況：雙線，直、曲線，最小曲線半徑7 000 m、困難條件下5 500 m，雙線線間距4.6 m,5.0 m；

4)橋面寬度：橋面頂寬12.2 m,12.6 m分別對應線間距4.6 m,5.0 m；

5)軌道結構型式：有砟軌道。

2.2　主要技術參數(shù)

1)列車活載：采用ZK活載，活載圖示如圖1所示。

列車活載的動力作用，按“高鐵規(guī)范”第7.2.8條辦理：

2)二期恒載：對于雙線橋面二期恒載(包括鋼軌、扣件、墊板、枕木、道碴、防水層、保護層、電纜槽、擋碴墻、遮板、隔音墻、接觸網(wǎng)支架、人行道板、聲屏障等)，具體見表2。

表2　有砟軌道二期恒載

3)橫向搖擺力：取120 kN作為集中荷載作用于橋梁最不利位置，對于雙線橋只取一線上的搖擺力。

4)溫度荷載：整體升降溫按升溫20 ℃、降溫20 ℃計算；溫度梯度按沿板厚5 ℃計算。

5)基礎不均勻沉降：按相鄰墩臺沉降差10 mm考慮。

6)其他荷載：制動力、離心力、風力等荷載按照《鐵路橋涵設計規(guī)范》取值。

2.3　選用材料

1)梁體和剛壁墩均采用C40混凝土。

2)活動墩頂帽、墩身采用C35混凝土。

3)支承墊石采用C40混凝土。

4)普通鋼筋采用HRB400鋼筋和HPB300鋼筋。

5)支座采用球形鋼支座。

2.4　主要輪廓尺寸

剛構連續(xù)梁主體部分寬10 m，單側懸臂長1.1 m～1.3 m，分別對應橋面總寬12.2 m～12.6 m。懸臂端部厚度0.2 m，根部厚0.3 m。剛構連續(xù)梁正交時按整幅考慮，斜交時主梁、剛壁墩按兩幅考慮，見圖2。

2.5　控制截面應力及裂縫限值

最大負彎矩的控制截面位于剛壁墩墩頂，最大正彎矩則位于次邊跨跨中，C40混凝土容許壓應力13.4 MPa，HRB400鋼筋應力控制：主力組合容許應力不大于210 MPa，主+附組合容許應力不大于270 MPa，裂縫寬度限值為0.2 mm。

3　結構受力分析

3.1　計算方法

主梁采用鋼筋混凝土實體板梁，由于主梁及橋墩斜交布置，梁體內力沿橫向分布不均勻。采用橋梁博士程序按平面桿系建模計算時，可取剛壁墩邊線所在縱向截面建模，即建立“大小跨”模型。根據(jù)截面內力對各截面進行配筋計算，再將全梁配筋沿中跨跨中對稱按大配筋量布置。

為較準確模擬斜交剛構的受力特性，本文以斜交25°的(13+3×16+13)m剛構連續(xù)梁為例，分析基礎剛度、剛壁墩壁厚對結構配筋影響。采用空間計算軟件midas civil建立空間分析模型，梁部采用板單元模擬，剛壁墩采用梁單元模擬；剛壁墩墩底節(jié)點再加上5個方向彈簧剛度以模擬基礎邊界，計算模型如圖3所示。

3.2　整體式與雙線分離比較

鐵路斜交剛構通常采用實體板梁，在斜交角影響下，主梁橫向彎矩及扭矩較大，尤其當主梁跨度較小時，結構寬跨比接近1∶1，此時整體受力體系較為復雜。若主梁和剛壁墩采用分離形式，可顯著減小主梁橫向寬度，使結構配筋計算更為明確。下面以斜交25°的(13+3×16+13)m剛構連續(xù)梁為例，對整體式與雙線分離的內力及應力進行對比。

對于斜交剛構的縱向彎矩分布，雙線分離式比整體式內力分布更均勻，主力組合下分離式跨中截面的單位寬度縱向彎矩為9.85×102kN·m，略小于整體式的1.05×103kN·m；對于剛壁墩墩頂截面的單位寬度負彎矩，雙線分離式比整體式減小4%左右。

對于斜交剛構的橫向彎矩分布，整體式最大橫向彎矩分布范圍明顯大于分離式，且最大值相差40%以上；整體式與雙線分離式結構應力對比如表3所示，可以看出，整體式下的主梁縱向正應力比雙線分離增加6%，橫向正應力則增加28%以上。

表3　整體式與雙線分離的結構應力對比　MPa

3.3　基礎剛度對主梁配筋影響

根據(jù)《時速250、350公里高速鐵路鋼筋混凝土剛構連續(xù)梁通用參考圖》，取不同基礎工況下的斜交25°(13+3×16+13)m剛構進行靜力分析，基礎剛度取值如表4所示。

表4　斜交25°(12+3×16+12)m剛構連續(xù)梁的基礎剛度取值

剛壁墩墩高5 m時，不同基礎剛度工況下的計算結果如表5所示。

表5　墩高5 m、不同基礎工況下的(12+3×16+12)m剛構計算結果

剛壁墩墩高9 m時，不同基礎剛度工況下的計算結果如表6所示。

表6　墩高9 m、不同基礎工況下的(12+3×16+12)m剛構計算結果

從計算結果可以看出：相比于主梁跨中截面，不同基礎剛度對剛壁墩墩頂內力影響較大，最大裂縫值相差11.73%；對于斜交25°的(12+3×16+12)m剛構連續(xù)梁，主梁配筋的控制邊界條件為墩高5 m、明挖基礎工況。

3.4　剛壁墩壁厚對結構受力影響

為研究剛壁墩壁厚對斜交剛構受力影響，保持斜交(13+3×16+13)m的主梁截面不變，剛壁墩壁厚分別取0.9 m，1.1 m和1.3 m，采用空間計算模型對結構進行靜力分析，計算結果見表7。

表7　不同壁厚下的(12+3×16+12)m剛構縱向彎矩對比　kN·m

表8　不同壁厚下的(12+3×16+12)m剛構墩底截面內力對比　kN·m

從表8可以看出：主梁內力隨剛壁墩壁厚的增加而減小，剛壁墩壁厚從0.9 m增加到1.3 m，主梁跨中內力最大僅減小5.91%；剛壁墩壁厚的增加對剛壁墩配筋的影響明顯大于主梁，墩底截面的縱向彎矩隨剛壁墩壁厚的增加增大較為明顯，最大增幅達27.6%。

4　結語

鐵路斜交剛構能有效跨越既有的斜交道路與河流，在立交凈空受限的情況下有效降低結構高度。本文以時速250 km高速鐵路斜交剛構為例，結合主要設計原則及技術參數(shù)，比較結構整體式與雙線分離的受力特點，得到如下結論：相比于主梁截面，不同基礎剛度對剛壁墩墩頂內力影響較大，最大裂縫值相差11.73%；剛壁墩壁厚的增加對剛壁墩配筋的影響明顯大于主梁，墩底截面的縱向彎矩隨壁厚的增加增大較為明顯，最大增幅達27.6%。