張?zhí)畦F路小跨度連續(xù)剛架橋分析研究

張珍

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

0 前言

橋跨結(jié)構(gòu)的主梁與墩臺(tái)整體相連的結(jié)構(gòu)叫做剛架橋。該結(jié)構(gòu)墩梁固結(jié)，既不設(shè)支座，減小后期養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，又在施工中不用進(jìn)行體系的轉(zhuǎn)換，在小跨度結(jié)構(gòu)或既有鐵路增二線時(shí)，該橋型具有廣泛的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)對(duì)剛架橋研究的論文（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4-7]）中對(duì)無(wú)橋臺(tái)斜腿剛架橋進(jìn)行了論述，主要對(duì)橋型、設(shè)鉸形式、邊中跨比等方面進(jìn)行了研究分析 ，文獻(xiàn)［8］對(duì)板拱組合剛架橋的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，文獻(xiàn)［9］就某一公路工點(diǎn)分別進(jìn)行了整體現(xiàn)澆連續(xù)板、連續(xù)剛架、箱型框架方案對(duì)比，而關(guān)于鐵路橋中采用連續(xù)剛架設(shè)計(jì)介紹的相關(guān)文獻(xiàn)甚少。本文以新建張家口至唐山鐵路工程中 8 m+16 m+8 m 連續(xù)剛架橋?yàn)楣こ瘫尘?，借助有限元軟?MIDAS，采用板單元建立斜交連續(xù)剛架橋的梁部和剛壁墩有限元分析模型，利用該模型提取內(nèi)力并采用 ASC 進(jìn)行配筋，結(jié)果表明所采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尺寸能夠滿足使用要求，可為同類工點(diǎn)的結(jié)構(gòu)尺寸擬定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的思路及有效的設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

1.1 線路條件

本工點(diǎn)位于新建張?zhí)畦F路與既有京哈鐵路并行地段，為跨越 102 國(guó)道而設(shè)。既有京哈鐵路為雙線，位于直線上，線間距 4.3 m。張?zhí)畦F路的上下行聯(lián)絡(luò)線分別位于既有京哈鐵路兩側(cè)，均為單線，位于直線上，與既有京哈鐵路左、右線的線間距分別為 5.4 m、5.3 m；縱向位于上坡段，左線坡度3.2‰，右線坡度 3.7‰。

1.2 結(jié)構(gòu)情況

連續(xù)剛架橋位于直線上，分左右兩聯(lián)，兩聯(lián)孔跨均為 8m+16m+8m，與既有京哈鐵路 8m+16m+8m框構(gòu)對(duì)孔接長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)斜交法向角度為 19°。

2 結(jié)構(gòu)尺寸

梁部采用單線變截面實(shí)體板梁，左聯(lián)橋面寬5.22 m，右聯(lián)橋面寬 6.77 m，跨中梁高均為 0.85 m，墩頂梁高 1.55 m，主梁全長(zhǎng) 33.84 m。4 個(gè)橋墩均為剛壁墩，其根部梗脅高 0.7 m，剛壁墩墩高 4.8 m，1、4 號(hào)墩墩壁厚斜長(zhǎng) 0.85 m，2、3 號(hào)墩墩壁厚斜長(zhǎng)0.69 m。橋型立面布置見(jiàn)圖1。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 有限元模型

本橋采用 Midas Civil 程序進(jìn)行建模，利用四節(jié)點(diǎn)厚板單元，建立斜交連續(xù)剛架橋的梁部和剛壁墩模型。平面板單元縱向按 1 m 左右、橫向按0.5 m 左右進(jìn)行劃分，基礎(chǔ)約束邊界條件按彈性約束進(jìn)行分析，彈性約束是在剛壁墩墩底節(jié)點(diǎn)上加上 6 個(gè)方向彈簧剛度(以墩橫向劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)量均勻分配剛度)以模擬基礎(chǔ)的彈性變形，主梁及剛壁墩均采用板單元模擬，見(jiàn)圖2。

3.2 荷載組合

荷載主要是活荷載，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)連續(xù)剛架橋的恒載、活載、不均勻沉降、混凝土收縮及徐變、溫度應(yīng)力等進(jìn)行了綜合考慮。荷載組合共計(jì) 16 種工況，見(jiàn)表1。

3.3 基礎(chǔ)剛度的處理

本結(jié)構(gòu)模型為考慮樁-土相互作用，采用樁基計(jì)算程序 RBCAD 計(jì)算出基礎(chǔ)彈性約束剛度。為保守計(jì)算，對(duì)于梁體，采用 0.5 倍基礎(chǔ)剛度提取內(nèi)力；對(duì)于剛壁墩，采用 2 倍基礎(chǔ)剛度提取內(nèi)力并檢算配筋。

圖1 橋型立面圖（單位：cm）

圖2 主橋有限元分析模型

表1 荷載工況組合

3.4 模型結(jié)果分析

3.4.1 內(nèi)力及變形圖示

內(nèi)力及變形圖示見(jiàn)圖3～圖10。

3.4.2 結(jié)構(gòu)鋼筋布置

圖3 恒載內(nèi)力圖（MMax）

圖4 活載1內(nèi)力圖（MMax）

圖5 主力1內(nèi)力圖（MMax）

圖6 主+附11內(nèi)力圖（MMax）

圖7 整體升溫變形圖（m）

圖8 整體降溫變形圖（m）

圖9 頂板升溫變形圖（m）

圖10 活載1變形圖（m）

降溫和收縮采用的荷載模式相同，都是單元溫度降低，縱向配筋考慮所有工況組合，提取內(nèi)力彎矩進(jìn)行截面縱向配筋。縱向劃分為 11 個(gè)區(qū)域，進(jìn)行截面配筋。本工點(diǎn)邊墻處頂板為主+附 1 控制，中跨跨中處底板配筋為主力 1 工況控制。由此可以看出，豎向荷載和降溫均對(duì)剛架產(chǎn)生縱向彎曲效應(yīng)，但是豎向荷載控制中跨跨中彎矩，結(jié)構(gòu)整體收縮控制邊墻附近彎矩。

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同部位的受力特點(diǎn)，將本橋劃分為邊墻、邊跨中、中墻和中跨中四個(gè)區(qū)域進(jìn)行橫向配筋計(jì)算。配筋結(jié)果見(jiàn)表2。

由于剛壁墩和梁體固結(jié)，橋墩分擔(dān)了一部分彎矩，在薄壁墩兩側(cè)設(shè)置豎向的受彎鋼筋。墩梁連接處的加腋配置 HRB400 鋼筋，直徑 28 mm，與墩、梁鋼筋配置相協(xié)調(diào)，保證二者連接處平滑過(guò)渡，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中。

表2 橫向配筋表

4 設(shè)計(jì)施工的對(duì)接

4.1 地基處理

本工點(diǎn)梁部結(jié)構(gòu)采用滿布膺架現(xiàn)澆法施工，支架設(shè)計(jì)必須牢固支架施工須保證地基有足夠強(qiáng)度，并采取相應(yīng)措施。若為舊瀝青或混凝土路面，可在支架底腳鋪設(shè)枕木防止不均勻沉降；若為土質(zhì)基礎(chǔ)，需對(duì)地基處理至密實(shí)碾壓的砂石土或礫石土，其強(qiáng)度不得低于 0.3 MPa；且應(yīng)加高支架處地基標(biāo)高或設(shè)混凝土罩面層以考慮雨水或過(guò)水沖刷對(duì)支架基礎(chǔ)的影響。

4.2 合攏方式

混凝土的澆筑應(yīng)自梁端向跨中連續(xù)進(jìn)行。為減小混凝土收縮對(duì)剛壁墩及基礎(chǔ)產(chǎn)生的不利影響，中跨合攏溫度應(yīng)控制在 5℃～15℃。

4.3 墩梁固結(jié)處處理

小跨度連續(xù)剛架橋橋墩均較薄，墩梁固結(jié)處設(shè)計(jì)時(shí)均設(shè)加腋進(jìn)行處理，該處受力復(fù)雜，除了應(yīng)配足計(jì)算需要的配筋外，施工時(shí)橋墩澆筑接縫應(yīng)遠(yuǎn)離墩梁固結(jié)處至少 1 m。

5 結(jié)論

（1）剛架橋的墩梁為剛性連接，既可以降低結(jié)構(gòu)高度，又可以減小跨中彎矩，從而減少鋼筋用量。

（2）采用薄壁墩與梁固結(jié)，全橋不設(shè)支座，整體結(jié)構(gòu)在施工中不用進(jìn)行體系的轉(zhuǎn)換，給施工及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)方便。

（3）能夠節(jié)省投資造價(jià)，費(fèi)用上既可節(jié)省昂貴的支座裝置，又可以減小后期養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

（4）板單元模型精度較高，能夠模擬結(jié)構(gòu)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本文所提出的模擬方法可廣泛應(yīng)用于小跨度但凈高要求比較高的跨城市立交的鐵路橋。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.橋梁設(shè)計(jì)通用資料[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1993.

[2] TB10002.3-2005,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(jì)規(guī)范[S].

[3] TB10002.1-2005,鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[4] 王國(guó)鼎.無(wú)橋臺(tái)斜腿剛架橋[J].公路,2000(3):26-29.

[5] 高榮雄.無(wú)橋臺(tái)斜腿剛架橋的設(shè)鉸方法[J].公路,2000(10):1-3.

[6] 金文成,高榮雄.無(wú)橋臺(tái)斜腿剛架橋的優(yōu)化[J].公路,2000(7):1-3.

[7] 王昌武.無(wú)橋臺(tái)斜腿剛架橋特性分析[J].公路,2000(8):50-52.

[8] 吳加山.淺談鋼筋混凝土板拱剛架橋施工要點(diǎn) [J].北方交通,2008(7):109-110.

[9] 吳海波.鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆連續(xù)板橋、連續(xù)剛架橋、箱形框架橋橋型方案比較分析[J].交通世界,2008(11 上):159-162.

[10] 項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社.2001.