極限斜交角框架橋空間結(jié)構(gòu)受力分析及設(shè)計

徐兆亮

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100053)

1 概述

本橋跨度為20 m+20 m(凈跨斜長)兩跨連續(xù)鋼筋混凝土框架橋，框架橋斜交角為47°，設(shè)計活載為中—活載，本場地位于地震基本烈度6度區(qū)范圍，場地設(shè)計基本地震加速度值0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計特征周期為0.35 s［1］。框架結(jié)構(gòu)采用C40鋼筋混凝土實心板梁;下部基礎(chǔ)形式采用承臺下接樁基礎(chǔ)。橋型布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖

2 項目設(shè)計

2.1 項目本身特點

1)結(jié)構(gòu)形式特殊。該橋是一個整體式橋臺橋梁，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)連成一體整體受力。

2)框架斜交角度小。該橋最小斜交角度為43°，超越了規(guī)范框架斜交角不宜小于45°的規(guī)定。

3)跨度大。本橋跨度為20 m+20 m(凈跨斜長)，在鋼筋混凝土框架橋里已經(jīng)基本達(dá)到了跨度的常規(guī)極限。

2.2 項目設(shè)計思路

本橋為整體式框架橋，斜交角較小，且該橋地質(zhì)揭露情況顯示基礎(chǔ)下有3 m～5 m的淤泥層，如果不能將下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力真實情況模擬出來，將不能為該橋的后續(xù)設(shè)計提供精確的受力數(shù)據(jù)。所以本橋采用整體式空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析［2］。

本橋項目設(shè)計共采用了四個結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，第一模型:頂板、邊墻采用板單元模擬，下部承臺、樁基礎(chǔ)利用一般彈性支撐，耦合剛度矩陣進(jìn)行模擬;第二模型:頂板、邊中墻采用板單元，承臺采用實體單元，樁基礎(chǔ)用一般彈性支撐，耦合剛度矩陣進(jìn)行模擬;第三模型:頂板、邊中墻采用板單元，承臺采用實體單元，樁基礎(chǔ)用等代樁長進(jìn)行模擬;第四模型:頂板、邊中墻采用板單元，承臺采用實體單元，樁基礎(chǔ)用實際樁長、土采用土彈簧進(jìn)行模擬。根據(jù)以上模型，經(jīng)過計算受力分析，認(rèn)為第四模型能最大程度的模擬結(jié)構(gòu)的真實受力情況，所以采用第四模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

本橋建模分析采用midas civil7.4.1軟件。

2.3 結(jié)構(gòu)受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)驗算

2.3.1 結(jié)構(gòu)尺寸初步擬定［3］

根據(jù)實際受力情況初步估算，初步擬定框架橋頂板厚1.3 m，邊墻厚1.0 m，中墻厚0.8 m，橋臺為雙排直徑為1.2 m的樁，中墻為1.2 m的單排樁。

2.3.2 結(jié)構(gòu)建模

頂板、邊中墻采用板單元，承臺采用實體單元，樁基礎(chǔ)用實際樁長、土采用土彈簧進(jìn)行模擬。整體空間結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖2 整體空間結(jié)構(gòu)模型

2.3.3 樁—土邊界條件模擬

樁側(cè)土的模型采用m法進(jìn)行計算模擬，樁的單元采用梁單元，2 m一個單元，在每一個單元的節(jié)點處在x正方向和負(fù)方向、y正方向和負(fù)方向加土彈簧。樁土相互作用采用m法進(jìn)行模擬，見圖3。

圖3 m法樁—土相互作用模型

2.3.4 上部結(jié)構(gòu)受力分析、配筋驗算

1)頂板。

內(nèi)力情況:頂板跨中最大正彎矩為1 100 kN·m，頂板中墻處負(fù)彎矩為－2 000 kN·m，鈍角局部最大負(fù)彎矩為－2 950 kN·m;跨中剪力為200 kN，1/4跨中處為－700 kN，中墻處頂板剪力為－900 kN;配筋情況:頂板下緣配8Φ22+8Φ28(每延米)，頂板上緣(中墻及邊墻處)配8Φ28+8Φ28(每延米)，配8Φ22抗剪斜筋;受力檢算:現(xiàn)有配筋均能滿足規(guī)范抗彎、抗剪的要求［4］。

2)邊墻。

內(nèi)力情況:最大正彎矩為150 kN·m，負(fù)彎矩為－1 200 kN·m，局部最大負(fù)彎矩為－1 802 kN·m;最大剪力為550 kN;配筋情況:邊墻外側(cè)正常段配8Φ22+8Φ28(每延米)，外側(cè)邊墻底配8Φ28+8Φ22+8Φ22(每延米)，外側(cè)邊墻頂配8Φ28+8Φ22+8Φ28(每延米);受力檢算:現(xiàn)有配筋均能滿足規(guī)范抗彎、抗剪的要求。

3)中墻。

內(nèi)力情況:最大彎矩為300 kN·m，局部最大負(fù)彎矩為－2 400 kN·m;最大剪力為450 kN;配筋情況:中墻內(nèi)外側(cè)正常段配 8Φ22+8Φ25(每延米)，中墻底內(nèi)外側(cè)配 8Φ22+8Φ22+8Φ25(每延米)，中墻頂配8Φ22+8Φ22+8Φ25(每延米);受力檢算:現(xiàn)有配筋均能滿足規(guī)范抗彎、抗剪的要求。

2.3.5 裂縫檢算

頂板在跨中處的最大裂縫為0.186mm，在中墻處的最大裂縫為0.164 mm，滿足規(guī)范最大裂縫不超過0.2 mm的要求。

2.3.6 撓度檢算

經(jīng)過計算，頂板最大豎向撓度為18.4mm，小于規(guī)范允許撓度［f］=l/800=25.75 mm 的要求。

2.3.7 樁基礎(chǔ)設(shè)計

單根樁基豎向力最大為7 320 kN，最大彎矩為2 386 kN·m，由于橋臺的最外排靠鈍角處的兩根樁彎矩大，且豎向力較小，配主筋為36Φ28，其他橋臺下的樁配筋為28Φ28，中墻下樁基配筋為18Φ22，經(jīng)驗算，強度及裂縫均能滿足規(guī)范要求［5］。

3 結(jié)語

通過該項目整體空間結(jié)構(gòu)建模分析、計算，在大跨度、斜交角小的框架橋設(shè)計當(dāng)中應(yīng)該注意以下幾點:

1)對于整體式框架橋，由于上下部結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力，如果基礎(chǔ)的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，在設(shè)計當(dāng)中最好能將地質(zhì)的實際情況反映到模型中去，如果不考慮地質(zhì)的實際情況而將承臺以下的邊界條件模擬為剛節(jié)點，有可能據(jù)此算出的受力數(shù)據(jù)超出了設(shè)計的誤差允許范圍，導(dǎo)致錯誤的設(shè)計結(jié)果。

2)斜交角小的兩跨框架橋的頂板內(nèi)力受力不均，在與中墻相接的頂板的鈍角處彎矩最大，該處是整個頂板的配筋設(shè)計的控制區(qū)域，需要進(jìn)行差異化設(shè)計。

3)每根樁基的受力是非平均的，比如橋臺下的樁基，其最外排靠鈍角處的兩根樁彎矩大、豎向力較小。對于樁基的設(shè)計需要根據(jù)實際的受力情況進(jìn)行差異化設(shè)計。

［1］GB 50111-2006，鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.

［3］TB 10002.3-2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］TB 10002.4-2005，鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］TB 10002.5-2005，鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.