三線鐵路大跨度連續(xù)彎梁簡化計算研究

宋樹峰

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300142)

三線鐵路大跨度連續(xù)彎梁簡化計算研究

宋樹峰

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300142)

三線鐵路彎梁橋具有橋面寬、結(jié)構(gòu)寬跨比大、部分截面扭矩大、受力復(fù)雜的特點，且目前國內(nèi)鐵路橋梁上可供借鑒的設(shè)計、研究經(jīng)驗較少。文章以北京動車段工程跨京開高速公路特大橋三線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁為研究對象，通過有限元程序，分別建立了該橋的直梁和彎梁單元模型，在對兩組模型各項內(nèi)力對比分析以及借鑒公路橋梁設(shè)計成果的基礎(chǔ)上，得出了該橋可以采用直梁模型進行結(jié)構(gòu)總體受力分析的結(jié)論，進而簡化了該三線連續(xù)彎梁橋的結(jié)構(gòu)計算方式，降低了設(shè)計難度、提高了設(shè)計效率，同時也可為同類橋梁的設(shè)計與計算提供參考。

三線鐵路； 彎梁； 直梁； 簡化計算； 有限元

1 概述

單、雙線連續(xù)梁橋面較窄，寬跨比較小，箱梁截面整體受力較均勻，基本符合梁元模型的平面假定。而三線梁橋面較寬，寬跨比較大，箱梁截面在受力上較復(fù)雜。三線鐵路大跨度連續(xù)彎梁橋與直梁橋在軸力、彎矩、剪力、扭矩等內(nèi)力分布上的差別目前可供借鑒的設(shè)計、研究經(jīng)驗較少，但隨著我國鐵路事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，連續(xù)彎梁使用的情況會越來越多，本文旨在通過對比某三線連續(xù)彎梁在直梁與彎梁兩種模型下的受力情況，簡化該彎梁橋的設(shè)計計算方法。

2 工程概況

新建北京動車段工程跨越南三環(huán)和京開高速公路處為五線并行鐵路，京滬左線平面位于R=800 m曲線上，五線線間距5～5.02 m。每處各采用一聯(lián)三線鐵路大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁和一聯(lián)雙線鐵路大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁。

三線鐵路彎梁跨度為(71.94+122.29+72.17)m，采用單箱雙室直腹板截面，箱梁各控制截面的梁高分別為：端支座處及邊跨直線段和跨中處為5.0 m，墩頂處梁高9.0 m，墩底平段長4.8 m，梁高按二次拋物線變化。中跨跨中直線段長4.29 m，邊跨直線段長分別為13.84 m和14.07 m，橋型布置如圖1所示。

圖1 連續(xù)彎梁立面布置圖(京滬左線)(cm)

3 直梁模型與彎梁模型的對比分析

為考察連續(xù)箱梁在曲線與直線布置形式下受力特性的差別，采用有限元法對兩種布置形式下結(jié)構(gòu)的受力特性進行了詳細計算。本次計算采用空間有限元程序MIDAS/Civil，為準確模擬連續(xù)彎梁橋的受力特點，在模型中支點、邊支點支座對應(yīng)的位置，共進行了8處一般約束進行等代模擬，分別模擬固定支座、縱向活動支座及橫向活動支座。

3.1 有限元模型的建立

分別建立直梁、彎梁模型，著重分析二者受力差別。為便于分析比較，兩種模型均采用梁單元，分別在主力和主力+附加力工況下進行分析比較，計算模型如圖2、圖3所示。

圖2 彎梁有限元模型

圖3 直梁有限元模型

3.2 內(nèi)力分析對照

通過程序計算，兩種模型的所有內(nèi)力均為主力+附加力荷載工況控制。

3.2.1 軸力對照

主力+附加力荷載工況下，彎梁模型和直梁模型的軸力計算結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖4 彎梁模型軸力圖

圖5 直梁模型軸力圖

兩種模型梁身各主要部位的軸力對照情況，如圖6所示。

圖6 兩種模型軸力對照圖

由軸力對比可以看出，彎梁模型和直梁模型計算結(jié)果規(guī)律基本一致，軸力相差較小，且彎梁模型軸力值除個別點外普遍比直梁模型小。

3.2.2 彎矩對照

主力+附加力荷載工況下，彎梁模型和直梁模型的彎矩計算結(jié)果，如圖7、圖8所示。

圖7 彎梁模型彎矩圖

圖8 直梁模型彎矩圖

兩種模型梁身各主要部位的彎矩對照情況，如圖9所示。

圖9 兩種模型彎矩對照圖

由彎矩對比可以看出，彎梁模型和直梁模型計算結(jié)果規(guī)律基本一致，彎矩相差較小，且彎梁模型彎矩值普遍比直梁模型小。

3.2.3 剪力對照

主力+附加力工況下，彎梁模型和直梁模型的剪力計算結(jié)果，如圖10、圖11所示。

圖10 彎梁模型剪力圖

圖11 直梁模型剪力圖

兩種模型梁身各主要部門的剪力對照情況，如圖12所示。

圖12 兩種模型剪力對照圖

由剪力對比可以看出，彎梁模型和直梁模型計算結(jié)果規(guī)律基本一致，剪力相差較小，且彎梁模型剪力值普遍比直梁模型小。

3.2.4 扭矩對照

主力+附加力工況下，彎梁模型和直梁模型的扭矩計算結(jié)果，如圖13、圖14所示。

圖13 彎梁模型扭矩圖

圖14 直梁模型扭矩圖

兩種模型梁身主要部位的扭矩對照情況，如圖15所示。

圖15 兩種模型扭矩對照圖

由扭矩對比可以看出，彎梁模型與直梁模型扭矩的總體分布規(guī)律一致，但扭矩值相差較大，扭矩最大差值達64%。彎梁模型邊跨最大扭矩發(fā)生在支點附近，中跨最大扭矩發(fā)生在中支點至1/4(3/4)中跨之間；邊跨及中跨最小扭矩均發(fā)生在跨中附近。直梁模型邊跨及中跨最大扭矩均發(fā)生在支點位置，最小扭矩均發(fā)生在跨中附近。

綜上各對比結(jié)果，彎梁模型與直梁模型內(nèi)力的差別主要體現(xiàn)在扭矩上。

3.3 應(yīng)力分析對照

通過有限元模型計算分析，對截面四個控制點(如圖16所示)的剪應(yīng)力進行了計算統(tǒng)計，各個控制截面由扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力和由荷載組合產(chǎn)生的組合應(yīng)力的對照情況，如表1所示。

圖16 箱梁截面應(yīng)力主要控制點示意圖

荷載分類截面應(yīng)力點中支點截面中跨跨中截面中跨1/4截面邊支點截面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力組合應(yīng)力百分比/%扭轉(zhuǎn)應(yīng)力剪應(yīng)力百分比/%扭轉(zhuǎn)應(yīng)力剪應(yīng)力百分比/%扭轉(zhuǎn)應(yīng)力剪應(yīng)力百分比/%主力組合10.1411.381.240.22-13.71-1.610.652.3627.61-0.24-0.4454.592-0.1412.53-1.13-0.22-15.041.47-0.652.28-28.550.24-0.45-52.433-0.14-11.241.25-0.2216.65-1.33-0.65-2.6724.440.240.5146.6240.14-12.07-1.170.2217.601.260.65-2.61-24.96-0.240.52-45.47主+附組合10.1512.411.230.22-13.98-1.600.723.0723.59-0.25-2.2611.282-0.1513.83-1.11-0.22-15.571.43-0.722.86-25.300.25-2.24-11.363-0.15-11.291.36-0.2217.73-1.26-0.72-3.4321.110.251.2121.0640.15-12.28-1.250.2219.031.170.72-3.34-21.64-0.250.95-26.78

注：“百分比”指扭轉(zhuǎn)應(yīng)力占組合應(yīng)力值的百分比。

由表1可知，中支點與中跨跨中截面由扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力與組合應(yīng)力值的比值非常小，均不超過1.7%。但中跨1/4截面與邊支點截面由扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力與組合應(yīng)力值的比值較大，最大達到54.59%，說明連續(xù)彎梁橋中跨1/4截面與邊支點截面的扭矩較大，這也與扭矩圖顯示的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

4.1 參考同類公路橋梁設(shè)計成果

人民交通出版社2005年出版的《橋梁設(shè)計常用數(shù)據(jù)手冊》中有以下結(jié)論：當曲線梁橋采用具有相當抗扭剛度的閉口截面時，對于曲線梁段的扭轉(zhuǎn)跨徑所對應(yīng)的中心角小于12°時，曲線梁橋可以采用以曲線長為跨徑的直線橋進行結(jié)構(gòu)分析。

本文的研究對象三線連續(xù)彎梁中跨所對應(yīng)的中心角8.7°小于12°，按照上述規(guī)定，可以采用等跨徑的直梁模型進行結(jié)構(gòu)分析。

4.2 根據(jù)有限元計算結(jié)果對比分析

從有限元計算結(jié)果比較來看，彎梁模型和直梁模型總體計算結(jié)果規(guī)律基本一致，軸力、彎矩、剪力值相差均較小，且彎梁模型計算值普遍比直梁小。彎梁模型與直梁模型內(nèi)力的差別主要體現(xiàn)在扭矩上，支點附近扭矩較大。由于箱梁截面抗扭剛度較大，通過適當配置抗扭鋼筋可以解決箱梁抗扭問題。

4.3 最終研究結(jié)論

根據(jù)人民交通出版社2005年出版的《橋梁設(shè)計常用數(shù)據(jù)手冊》的規(guī)定，以及經(jīng)過有限元程序的驗證，得出北京動車段工程跨京開高速公路特大橋三線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁采用直梁模型進行結(jié)構(gòu)分析，并加強抗扭配筋驗算的計算方式，進而簡化了三線連續(xù)彎梁的結(jié)構(gòu)計算，可為同類鐵路橋梁的設(shè)計與研究提供借鑒。

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Study on Simplified Calculation of Three-line Railway Long Span Continuous Curved Beam

SONG Shufeng

(Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142， China)

Three-line railway curved beam bridge is featured by wide deck, big ratio of structural width and span, large torques of some cross sections and complex stress, and currently there are few designs and research experience of railway bridges in China for reference. Taken the three-line railway prestressed concrete continuous curved beam of super major bridge across the Jing-Kai high-speed railway in Beijing EMU Depot as the research object, through the finite element program, element models of straight beam and curved beam are established separately. On the basis of the comparision and analysis of the internal forces for the two models and the highway bridge design achievements for reference, it is concluded that the straight beam model can be adopted for the overall structural stress analysis, and then, the structure calculation way of the three-line continuous curved beam bridge is simplified, the difficulty of the design is reduced, the design efficiency is improved, and also references for similar bridge design and calculation are provided.

three-line railway； curved beam； straight beam； simplified calculation； finite element

2016-02-26

宋樹峰(1982-)，男，工程師。

1674—8247(2016)03—0019—04

U442

A