鐵路鋼筋混凝土斜交剛構連續梁實體受力分析

蔡暢

摘 要 近年來，隨著高速鐵路大規模的發展，鐵路與公路、河流溝渠之間的交叉越來越多且交叉角度各異，為了順利地實現跨越，斜交剛構運用地越來越多。本文以某時速350Km/h客運專線斜交鋼筋混凝土雙線剛構連續梁為例，結合項目背景對其主要技術參數進行了介紹，并利用空間有限元分析軟件Midas Fea進行了受力分析，橋梁的應力分布呈明顯的不對稱特征，對設計注意事項進行了探討，為同類工程設計提供參考。

關鍵詞 鐵路;斜交橋;鋼構連續梁;有限元分析;橋梁設計

1概述

近年來，隨著高速鐵路大規模的發展，鐵路與公路、河流溝渠之間的交叉越來越多且交叉角度各異，為了順利地實現跨越，斜交剛構連續梁運用地越來越多[1]。斜交鋼構主體結構為平行四邊形構造，由于結構自身的不對稱性，其梁體受力分布也會呈現很強的空間特性[2]，本文結合某時速350Km/h客運專線鋼筋混凝土雙線剛構連續梁設計進行了空間有限元受力分析，并結合結構受力特征對其設計注意事項進行了探討。

2工程概況

本結構為跨度（20+24+24+20）m鋼筋混凝土連續剛構，主梁全長89m，支座中心縱向距梁端0.5m;本橋主梁及主墩分兩幅橋設置。主梁及主墩均為鋼筋混凝土結構，其混凝土強度等級均為C40，鋼筋采用HRB400鋼筋。主梁采用矩形實體截面，外側單側設置1.30m寬翼緣板;邊支點、邊跨跨中、中跨跨中處主梁梁高1.35m;主墩為剛臂墩，主墩處梁高為2.15m。單幅梁底寬4.99m，頂寬6.29m。主墩與主梁剛接，主墩斜向布置，其軸線與主梁軸線夾角45度;1～3號主墩墩高分別為6.2m、6.2m、4.7m，主墩橫向與梁底同寬，縱向厚度1.909m。兩幅橋的主墩采用整體式樁基礎（未分幅），承臺縱向尺寸4.8m，橫向尺寸15.9m，厚2.0m，承臺斜置，每個主墩均采用10根直徑1.0m鉆孔灌注樁基礎。

3建模及計算

3.1 計算模型

選擇利用有限元方法對該橋進行實體建模計算以分析其應力分布情況。采用大型通用有限元軟件 MIDAS FEA 建立模型，此軟件可以進行結構的細部分析。在 MIDAS FEA 軟件中建立有限元模型，用四面體單元模擬混凝土，共劃分381756個單元，模型如圖2所示。

約束樁基底豎向位移、縱向位移及水平位移，同時橋梁梁端添加支座約束豎向及橫向位移，為檢驗梁底應力情況，偏保守地不考慮樁基側面支撐作用。

3.2 設計荷載

計算過程中，荷載按靜載加載，考慮結構自重、二恒及活載三種主要荷載，分別對不同荷載類型進行結構計算，同時按照施工順序對荷載依次進行了疊加計算。

4計算結果及分析

4.1 結構變形分析

由圖3可知，斜交剛構連續梁橋豎向撓度變化規律類似于正交剛構連續梁橋，但由下部結構橋墩的支承點連線梁體縱軸線不垂直，梁體會有一定的橫向扭轉變形，從而導致內外側撓度有所差別，梁體外側（橋梁梁端至約束較長一側）的豎向撓度會大于內側豎向撓度（橋梁梁端至約束較短一側），如圖3所示。

4.2 結構受力分析

如圖4所示，分別選取四跨共計15個主要截面（每跨1/2處、1/4處）對其應力分布情況進行了分析;各截面應力特征值曲線和應力分布云圖分別如圖5、6所示。

由圖5中應力特征值曲線和截面應力云圖可知（橫坐標0、4分別表示第一跨梁端與第四跨梁端處，中間數字表示梁體各截面位置），隨著截面變化，斜交剛構連續梁橋應力特征值變化規律同樣類似于正交剛構連續梁橋[3-4]，但兩者受力模式有比較大的不同，正交剛構連續梁主要受豎向彎矩作用，而斜交剛構連續梁橋會受到“彎-扭耦合”作用，由于較大的約束扭轉和截面畸變，在截面同一位置處，應力平均值與最大值有較大差別，呈現出明顯的離散性[5]。

從圖6所示截面應力云圖中可明顯看出橋梁下部受拉區域有較大的應力集中（紅色部分），上部受壓區域應力的分布相對較均勻，較大差異化的應力應變分布會對結構產生更為不利的影響，因此，當采用平面桿系建模計算時，應考慮橋墩與梁體的斜交情況，采用最為不利的“最大跨”模型進行計算[6]，即梁端至墩頂的最遠距離作為邊跨計算跨度，并按照此計算結果進行配筋設計;由于橋梁孔跨間梁體為平行四邊形結構，引起結構受力響應出現了較強的不對稱特征，橋梁梁端至約束較短一側會卸載，梁端至約束較長一側會超載。

5結束語

①鋼筋混凝土斜交剛構連續梁橋與常規正交剛構連續梁橋受力模式有較大差別，變形及應力分布均具有較強的空間三維特性。②斜交剛構連續梁橋應力、應變特征值變化規律類似于正交剛構連續梁橋，但由于彎扭耦合作用，截面上應力橫向分布具有明顯的離散性。③梁體截面配筋設計時，需充分考慮截面應力分布不均勻性，按照最不利工況進行配筋計算。④由于橋梁孔跨間梁體為平行四邊形結構，引起結構受力響應出現了較強的不對稱特征，橋梁梁端至約束較短一側會卸載，梁端至約束較長一側會超載，還應注意卸載一側是否會有支座脫空的情況發生。

參考文獻

[1] 陸鋒.鐵路斜交剛構連續梁橋設計[J].中國水運月刊，2015（3）：129，222-223.

[2] 佚名.鋼筋混凝土斜交剛構連續梁橋的實驗與數值分析[J].實驗力學，2003（3）：8-13.

[3] 劉巧麗.寧安城際龍眠山路斜交剛構連續梁橋設計[J].黑龍江科技信息，2012（18）：253-254.

[4] 許威.連續剛構橋體外預應力加固關鍵技術研究[D].重慶交通大學，2013.

[5] 柴桂紅，白鴻國.曲線斜交鋼筋混凝土連續剛構受力分析[J].鐵道工程學報，2008（4）：52-55.

[6] 汪禹.鐵路斜交鋼筋混凝土剛構連續梁設計研究[J].山西建筑，2018，44（13）：181-183.