鐵路剛架橋受力特性研究分析

曹華杰

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市300000）

0 引言

近年來，隨著我國鐵路建設事業的飛速發展，鐵路網逐漸加密，鐵路與既有道路之間的交叉跨越不可避免。同時，由于跨越道路的復雜性，不同跨徑、斜交角度的剛架橋應運而生[1]。

剛架橋由基礎、豎墻、頂板三部分組成[2]。該種結構為豎墻與頂板整體剛性連接超靜定結構，在豎向荷載作用下，豎墻處頂板產生負彎矩，可有效減小跨中正彎矩，從而使該類型結構的跨中尺寸得以減小，具有結構輕便、橋下凈空大的優點。此外，剛架橋以其獨特的結構特點，在不中斷交通情況下跨越既有線等方面具有廣泛的應用前景[3-4]。

本文以某新建鐵路為工程背景，基于Midas有限元軟件和Asc配筋程序，對不同孔徑、跨度和斜交角度的剛架橋受力和配筋情況進行了分析探討[5-9]。

1 工程概況

某新建鐵路為雙線有砟軌道，設計時速250 km/h，線間距為4.6 m。其中部分工點因跨越溝渠和既有道路設計采用剛架橋結構，基礎為摩擦樁。依據現場條件，基于跨度、斜交角度、凈空要求，對工點進行分類匯總（見表1）。

表1 剛架橋匯總

2 結構尺寸擬定

參考相同跨徑、斜交角度框構橋的結構尺寸擬定剛架橋各細部尺寸，見圖1、圖2、表2。

表2 剛架橋結構尺寸

圖1 單孔剛架橋結構示意圖

圖2 雙孔剛架結構示意圖

3 結構受力分析

3.1 荷載取值

3.1.1 恒載

（1）自重：混凝土容重采用25 kN/m3。

（2）二期恒載：包含有砟軌道結構及附屬，直線無聲屏障采用205 kN/m，直線有聲屏障采用225 kN/m。

（3）不均勻沉降：采用5 mm。

（4）混凝土收縮徐變：采用-15℃。

（5）恒載土壓力。

3.1.2 活載

（1）活載：根據《鐵路橋涵設計規范》（TB 10002—2017）采用ZK列車荷載圖式，相應的動力參數按下式取值：

式中：lφ為梁的加載長度。

（2）橫向搖擺力：取值為100 kN，作用于軌頂。

（3）活載土壓力和離心力：《鐵路橋涵設計規范》（TB 10002—2017）計算取值。

3.1.3 附加力

（1）風力：w取值為700 Pa。

（2）制動力、牽引力：直線橋采用豎向靜活載的10%，曲線梁采用所豎向靜活載的7%。

（3）溫度荷載：整體升溫25℃，整體降溫-25℃，非線性升溫10℃。

3.1.4 特殊荷載

（1）地震力：根據《鐵路工程抗震設計規范》（2009版）（GB 50111—2006）規定計算。

（2）長鋼軌縱向作用力：按《鐵路無縫線路設計規范》（TB 10015—2012）計算取值。

3.1.5 荷載組合

恒載：自重+二期恒載+混凝土收縮力+恒載土壓力+支座不均勻沉降。

活載：ZK活載+搖擺力+離心力+活載土壓力。主力1：恒載+活載。

主力2：自重+長鋼軌伸縮力+混凝土收縮+不均勻沉降。

主力+縱向附加力：恒載+制動力+溫度力+風力。

主力+特殊荷載：恒載+列車靜活載+地震力。

3.2 建立模型

利用Midas Civil有限元軟件建立剛架橋板單元模型，采用彈性支承模擬基礎約束，將基礎剛度按單元長度分配到基底各節點上。僅列出雙孔模型，如圖3所示。該模型有節點1 178個，單元1 098個。

圖3 有限元模型

3.3 計算分析

建立相應的模型，采用3.1節的荷載取值和荷載組合，提取較為控制的荷載組合內力。從內力圖（見圖4、圖5）得出：運營荷載作用下，剛架橋頂板跨中下緣受拉，豎墻處頂板上緣受拉，豎墻為壓彎構件，豎墻上緣外側受拉。豎墻處頂板產生的負彎矩可有效減小跨中的正彎矩，從而使得該類型的結構跨中尺寸得以減小，具有結構輕便、橋下凈空大的特點。

圖4 主力1工況1～16 m剛架縱橋向彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖5 主力1工況2～14 m剛架縱橋向彎矩圖（單位：kN·m/m）

通過受力分析，根據各截面的內力進行配筋計算，將不同類型的剛架橋的配筋計算結果進行匯總，見表3。主力組合鋼筋應力最大值為165.75 MPa，裂縫最大值為0.169 mm，主力+附加力最大值為174.618 MPa，裂縫最大值為0.192 mm。計算指標均滿足規范要求，且結構設計較為經濟合理。

表3 配筋計算結果

4 結語

本文基于鐵路剛架橋的實際應用，擬定相應的結構尺寸，通過建模分析結構的受力特性和配筋計算，主要得出以下結論：

（1）剛架橋因其獨特的結構特點在不中斷交通的情況下跨越既有道路等方面有廣泛的應用。

（2）單孔、雙孔剛架橋在運營荷載作用下表現出類似的受力特點。當跨徑較大采用單孔剛架橋不能滿足設計要求時，可考慮采用雙孔剛架橋以減小跨中的彎矩。

（3）對于不同孔徑、凈高、斜交角度的剛架橋，采用本文的結構尺寸均可滿足配筋計算的要求，且結構設計較為經濟合理，可為類似項目提供參考。