城際鐵路簡支箱梁腹板間距優化研究

董 艷 彪

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000)

1 概述

雙線單箱單室截面形式梁體的橫向剛度很大，橫向剛度不控制設計，箱寬的取值主要是根據箱體本身的受力情況而定。當腹板中心線與線路中心線重合時梁體腹板受力最均勻，當橋面較寬時會造成梁體外懸臂較大，對受力不利，箱室跨度的選擇應兼顧腹板間距和懸臂長度。腹板間距設置的合理性直接影響整個橋梁的橫向剛度和頂板腹板的受力性能，導致鋼筋的用量和板厚度的變化[1]。

本文選取時速200 km無砟梁為研究對象，確定合理的腹板間距范圍。腹板間距分如下幾種情況進行對比分析：

方案一：腹板間距4.1 m；方案二：腹板間距4.6 m；方案三：腹板間距5.1 m；方案四：腹板間距5.6 m；方案五：腹板間距6.1 m；方案六：腹板間距6.6 m；方案七：腹板間距7.1 m。

內力計算采用如下三種荷載組合：

組合一：恒載(自重+橋面荷載)；組合二：恒載+活載；組合三：恒載+偏活載。

2 橋梁構造及荷載形式

2.1 橋面布置

根據城際鐵路橋梁的最小橋面寬度要求，并考慮曲線影響和接觸網立柱，滿足鐵路行車安全和舒適度的要求，箱梁橋面布置如圖1所示。

2.2 荷載計算

城際鐵路無砟箱梁二期恒載如表1所示。

表1 無砟箱梁二期恒載

列車活載按照《鐵路橋涵設計基本規范》中規定的ZC標準荷載形式施加[2]。

2.3 主要截面尺寸

箱梁跨中及梁端截面尺寸如圖2,圖3所示。

3 研究方法及有限元模型建立

有限單元法是對結構進行空間力學分析最有效的數值分析方法之一，在箱形梁的空間有限元計算中，常用的單元類型主要有“梁單元”“塊體單元”及“板殼單元”[3]。現運用大型通用軟件MIDAS civil，采用梁單元分別建立腹板間距為4.1 m，4.6 m，5.1 m，5.6 m，6.1 m，6.6 m，7.1 m箱梁閉合框架模型。求解在三種荷載組合作用下，腹板間距對結構內力的影響。確定使結構受力較合理，且使鋼筋用量最省，鋼筋利用率最高的合理腹板間距。

采用梁單元分別建立腹板間距為4.1 m，4.6 m，5.1 m，5.6 m，6.1 m，6.6 m，7.1 m箱梁閉合框架模型。梁體縱向取單位長度1 m，邊界條件采用實際簡支梁邊界條件，梁底一側采用固定鉸支座，另一側采用活動鉸支座。荷載嚴格按照第二節中所述荷載布置形式施加。有限元模型如圖4所示。

4 不同荷載組合下結構內力計算

從MIDAS civil中分別提取在各荷載組合下結構內力計算結果，并進行計算點內力比較分析，各計算點分布如圖5所示。

4.1 恒載(自重+橋面荷載)作用下結構內力計算

從MIDAS civil中提取恒載(自重+橋面荷載)作用下結構內力計算結果，如表2所示。

表2 恒載(自重+橋面荷載)作用下內力比較

4.2 恒載+活載作用下結構內力計算

從MIDAS civil中提取恒載+活載作用下結構內力計算結果，如表3所示。

表3 恒載+活載作用下內力比較

4.3 恒載+偏活載作用下結構內力計算

從MIDAS civil中提取恒載+偏活載作用下結構內力計算結果，如表4所示。

表4 恒載+偏活載作用下內力比較

5 結構內力對比

將三種荷載組合作用下結構各計算位置處的最大彎矩值匯總于表5，進行最大彎矩值比較。為更加清晰表示腹板間距變化對結構受力影響，將比較結果繪制于折線圖6。

表5 三種荷載組合作用下最大內力比較

由以上分析可知，懸臂板端最大彎矩值隨腹板間距的增大逐漸減小，且變化較為明顯；頂板端最大彎矩值隨腹板間距的增大而逐漸增大，變化較為顯著；腹板頂最大彎矩值隨腹板間距的增大呈先減小后增大趨勢，且變化較明顯；腹板底最大彎矩值隨腹板間距增大逐漸增大，變化較為緩慢；頂板跨中最大彎矩值隨腹板間距的增大先減小后增大，變化趨勢較明顯；底板跨中最大彎矩值受腹板間距變化影響較小，腹板間距由4.1 m增加至7.1 m，底板跨中最大彎矩基本不變。

由圖6可知，在腹板間距約為4.85 m時，懸臂板與頂板最大彎矩值相同，由于在梁體構造上頂板最大厚度與懸臂板最大厚度值基本相同，相同彎矩作用下所需鋼筋配置量基本相等，故腹板間距約為4.85 m時懸臂板與頂板所需橫向鋼筋量基本相等，可在懸臂板、頂板配置橫向通長鋼筋，可充分發揮鋼筋作用，避免了鋼筋浪費。 同時，在腹板間距約為4.85m時，腹板最大彎矩較小，所需鋼筋量較少，可節省鋼筋用量。由上述分析可知，梁寬為10.6m時，腹板間距的合理范圍為4.6m～5.1m。

6 結語

1)腹板間距變化對懸臂板端、頂板端、腹板頂、頂板跨中內力狀態影響較為明顯；對腹板底、底板跨中內力狀態影響較小。

2)梁寬10.6 m城際鐵路簡支箱梁，腹板間距約為4.85 m時，腹板最大彎矩較小，所需鋼筋量較少，可節省鋼筋用量。腹板間距的合理范圍為4.6 m～5.1 m。