某鐵路大跨度斜交預(yù)應(yīng)力框構(gòu)橋設(shè)計(jì)體會(huì)

薛 銳

隨著鐵路建設(shè)的大發(fā)展,框構(gòu)橋被大量采用?？驑?gòu)橋作為下穿鐵路的立交形式具有比較明顯的優(yōu)點(diǎn),其外形輕巧,整體性好,不受道岔限制。對(duì)于穿越已建成的鐵路路基段,框構(gòu)橋采用頂進(jìn)法施工,線路加固后具有不中斷行車(chē),不修便線的優(yōu)點(diǎn)。由于材料性能和現(xiàn)場(chǎng)灌注條件的限制,通常工程中采用的框構(gòu)孔徑為8m～20m,為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的框構(gòu)跨徑 23m,與被交路斜交 30°,跨徑大,斜交,頂板實(shí)際長(zhǎng)度26.715m,因此考慮采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

1 尺寸擬定及模型建立

框構(gòu)橋橫截面尺寸擬定是一個(gè)試算過(guò)程,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),本次設(shè)計(jì)頂板擬厚 1.7m;底板的厚度根據(jù)地基情況一般比頂板厚,本次設(shè)計(jì)底板擬厚 1.9m,側(cè)墻的厚度可略小于頂板厚度,本次設(shè)計(jì)側(cè)墻擬厚1.6m。

本次設(shè)計(jì)分析采用大型有限元MIDAS分析軟件,按照擬定尺寸輸入空間結(jié)構(gòu):1)采用厚板單元離散框構(gòu)結(jié)構(gòu),即DKME(Discrete Kirchhoff-Mindlin Element);2)采用桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響,預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉通過(guò)賦予桁架單元初始拉力荷載方式模擬;3)采用梁?jiǎn)卧M加勁肋對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)。

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型簡(jiǎn)化

對(duì)于邊界條件的選擇,即土與結(jié)構(gòu)相互作用應(yīng)根據(jù)本次工程的地質(zhì)報(bào)告提供的地質(zhì)資料,參照規(guī)范進(jìn)行選取及模擬。

2.1 支撐條件

將框構(gòu)結(jié)構(gòu)與地基之間的相互作用根據(jù)溫克爾地基模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)地勘資料表明,地表下 40多米范圍內(nèi)置于砂巖層,框構(gòu)結(jié)構(gòu)埋深在 1.2m～14.3m,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法值,中等密室土砂土,本項(xiàng)目中取用基床反力系數(shù)取為200 000 kN/m。

2.2 周?chē)馏w與結(jié)構(gòu)的相互作用簡(jiǎn)化

將框構(gòu)結(jié)構(gòu)側(cè)墻所受周?chē)耐馏w作用簡(jiǎn)化為土側(cè)壓力,靜土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,即:

本項(xiàng)目考慮到靜止土壓力是沿著墻高成線性分布的,所以使用軟件提供的流體壓力加載,軟件中計(jì)算,壓力垂直于結(jié)構(gòu)物表面作用于結(jié)構(gòu),荷載分布使用線性荷載,如圖 1所示。

其中,壓力荷載分布規(guī)律為:

將軟件中荷載分布規(guī)律計(jì)算公式與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中靜止土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式相對(duì)比,則:Ρ0與框構(gòu)結(jié)構(gòu)埋置深度有關(guān),即:

g與土的容重和靜土壓力系數(shù)有關(guān),即:

現(xiàn)取用:土的重力密度為20 kN/m3,內(nèi)摩擦角取 70°。

3 預(yù)應(yīng)力模擬

框構(gòu)橋頂板跨度為 26.715m,將在頂板上均勻布置預(yù)應(yīng)力鋼束。分析中將預(yù)應(yīng)力鋼筋使用采用具有初始張力的桁架單元模擬,為模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土兩種材料之間的相互作用,將桁架單元與板單元使用在節(jié)點(diǎn)處具有相同的自由度來(lái)模擬,以將預(yù)應(yīng)力效應(yīng)表現(xiàn)到結(jié)構(gòu)中。

3.1 輸入桁架單元的初始張拉力

初始張拉力為:預(yù)應(yīng)力鋼筋中有效預(yù)應(yīng)力與鋼筋截面積的乘積。

有效預(yù)應(yīng)力值應(yīng)為錨下張拉控制應(yīng)力扣除臺(tái)座工作錨具變形、預(yù)應(yīng)力鋼筋回縮及分批放張預(yù)應(yīng)力鋼筋引起的應(yīng)力損失值。

為準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼筋中的有效預(yù)應(yīng)力,將使用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬框構(gòu)結(jié)構(gòu)受力分析,然后取每束預(yù)應(yīng)力鋼筋中的有效預(yù)應(yīng)力加到模型中;根據(jù)項(xiàng)目情況,選用預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)格為 1×(12φj, 15.2)和 2×(9φj,15.2);沿頂板均勻布置束。鋼束橫斷面布置見(jiàn)圖2。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼束線型的描述,該分析中使用直線線型

設(shè)計(jì)根據(jù)框構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律,進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束的豎彎,以減小預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)框構(gòu)角隅處負(fù)彎矩區(qū)的影響。

4 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載包括恒載(自重、二期恒載、恒載土壓力等)、活載及附加力(溫度升降等)?？驑?gòu)橋的移動(dòng)活荷載分析計(jì)算中,分別在頂板及底板使用車(chē)道面加載方式加載公路荷載和鐵路荷載。依據(jù)本次設(shè)計(jì)原則,參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行移動(dòng)活荷載分析,荷載標(biāo)準(zhǔn)采用公路—Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn);參照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》進(jìn)行鐵路列車(chē)豎向靜活載分析。

4.1 沖擊系數(shù)處理

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中 4.3.2.2條,在本次分析中無(wú)需計(jì)入活荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊作用。

在MIDAS/CIVIL軟件中,定義“移動(dòng)荷載分析控制數(shù)據(jù)”時(shí),程序會(huì)自動(dòng)考慮沖擊系數(shù)的計(jì)算,因此在程序參數(shù)輸入時(shí),“移動(dòng)荷載工況”中,“系數(shù)”填寫(xiě)為:

4.2 鐵路列車(chē)豎向靜活載加載

在施加鐵路列車(chē)豎向靜活載車(chē)道面加載時(shí),需考慮列車(chē)荷載實(shí)際上通過(guò)具有一定規(guī)格的軌道施加到結(jié)構(gòu)上的,其車(chē)道面加載有其特殊性。

分析中考慮鐵路列車(chē)荷載加載的特殊性,在“車(chē)道面”設(shè)置時(shí),分別將“車(chē)道寬度”和“W車(chē)輪距離”設(shè)置為 1.435m,即我國(guó)直線標(biāo)準(zhǔn)軌距1.435m。

5 分析與結(jié)論

5.1 應(yīng)力驗(yàn)算

在荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合情況下,截面上下緣均處于完全受壓狀態(tài)。根據(jù)JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第 6.3.1的要求,σlt-σpc≤0,可見(jiàn)頂板大部分單元法向拉應(yīng)力在荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合的條件下滿足規(guī)范要求。

在荷載短期效應(yīng)組合情況下,板單元截面上緣、下緣均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。根據(jù)JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第6.3.1的要求,σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65= 1.855MPa,可見(jiàn)框構(gòu)結(jié)構(gòu)頂板單元法向拉應(yīng)力在荷載短期效應(yīng)組合的條件下滿足規(guī)范要求。

在荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合情況下,截面最大主壓應(yīng)力為 7.91MPa。根據(jù)JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第7.1.6的要求,σcp≤0.6 fck=0.6×32.4=19.44MPa,可見(jiàn)框構(gòu)結(jié)構(gòu)頂板單元的主壓應(yīng)力在荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合的條件下滿足規(guī)范要求。

在荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合情況下,截面上緣最大壓應(yīng)力為 7.81MPa,下緣最大壓應(yīng)力為2.90MPa。根據(jù)JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第7.1.5要求,σkc+σpt≤0.5fck= 0.5×32.4=16.2MPa,可見(jiàn)框構(gòu)預(yù)應(yīng)力頂板單元的法向壓應(yīng)力在荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合的條件下滿足規(guī)范要求。

在荷載短期效應(yīng)組合情況下,截面最大主拉應(yīng)力值為1.20MPa。根據(jù)JTG D 62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第6.3.1的要求,σtp≤0.5ftk=0.5×2.65= 1.325MPa,可見(jiàn)框構(gòu)結(jié)構(gòu)頂板單元的主拉應(yīng)力在短期效應(yīng)組合的條件下滿足要求。

5.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

分析中,將框構(gòu)結(jié)構(gòu)作為彈性體進(jìn)行受力分析計(jì)算,所以,將框構(gòu)橋的應(yīng)力破壞標(biāo)準(zhǔn)為:結(jié)構(gòu)中主應(yīng)力不能超過(guò)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd和軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd,即:fcd=22.4MPa和ftd=1.83MPa,則:主拉應(yīng)力云圖表明,框構(gòu)結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力大部分在拉應(yīng)力0.1MPa～1.1MPa,壓應(yīng)力在-7.9MPa～-0.1 MPa,可見(jiàn),框構(gòu)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度能得到保證。

6 結(jié)語(yǔ)

1)框構(gòu)橋的橫向分布長(zhǎng)度及橫向分布形式對(duì)框構(gòu)橋的內(nèi)力影響較大,尤其跨徑大,角度斜交的框構(gòu),因此本次設(shè)計(jì)首次在框構(gòu)橋中引入了預(yù)應(yīng)力。2)預(yù)應(yīng)力框構(gòu)橋與普通混凝土框構(gòu)橋的區(qū)別較大,需要空間建模分析,計(jì)算中注意預(yù)應(yīng)力的模擬。3)由應(yīng)力云圖可以看出,跨中控制應(yīng)力是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn),需要同時(shí)考慮跨中截面強(qiáng)度、截面應(yīng)力以及撓度,本次設(shè)計(jì)均滿足要求,安全可靠。4)本次預(yù)應(yīng)力框構(gòu)的成功設(shè)計(jì)為鐵路框構(gòu)橋的設(shè)計(jì)打開(kāi)了一條新思路,為斜交大跨徑需特殊設(shè)計(jì)的框構(gòu)橋樹(shù)立了樣本,其經(jīng)驗(yàn)值得推廣。

[1] 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),鐵路框構(gòu)橋設(shè)計(jì)[S].

[2] 王立新.頂進(jìn)大孔徑框構(gòu)橋鐵路架空方案的設(shè)計(jì)及其施工[J].鐵道建筑技術(shù),2009(2):30-32.

[3] 趙文婷.斜支框構(gòu)橋開(kāi)裂的有限元分析[J].山西建筑, 2010,36(11):348-349.