微角度異形剛架空間分析研究

王冠　拓明陽

摘 要：研究目的：南京至安慶鐵路新建工程跨越321省道，線路與既有道路夾角僅為16.45°，在滿足跨越寬度和最小凈空的前提下，需要設(shè)計(jì)出既美觀又經(jīng)濟(jì)的無砟軌道客運(yùn)專線跨越規(guī)劃道路的橋梁結(jié)構(gòu)型式，本施工工程實(shí)例采用了異形剛架結(jié)構(gòu)，通過研究該類剛架的受力特點(diǎn)，為同類設(shè)計(jì)工程提供借鑒。

過程和方法：經(jīng)過剛架與門式墩、連續(xù)剛構(gòu)等結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點(diǎn)比較，最終選用了跨度為（39.6+18.7+41.3+18.7+39.6）m的異形剛架橋，著重介紹了斜交剛架的布置和設(shè)計(jì)，并通過空間有限元分析，總結(jié)出了剛架橋的受力特點(diǎn)。

結(jié)果和結(jié)論：通過空間分析計(jì)算，該類型能夠滿足無砟軌道的各項(xiàng)強(qiáng)度及變形要求，具有一定的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：微角度；異形剛架；有限元模型；空間分析

中圖分類號： U448.17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）24-209-3

1 工程概況

南京至安慶鐵路新建工程繁昌特大橋于DK124+849.01～DK124+924.22處跨越321省道，橋址處于平原地區(qū)，地形較為平坦開闊，主要辟為耕地和住宅用地，局部零星分布池塘和水溝。321省道正寬12.7m，由于位于城區(qū)，繁昌縣將城區(qū)范圍內(nèi)的321省道按城市道路規(guī)劃，線路右側(cè)34.35m處已被繁昌縣改建，道路總寬28m。本段鐵路為無砟軌道，雙線線間距4.6m，與道路斜交16.45°，屬于小角度斜交橋，總體布置如圖1所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年，鐵路等級為雙線客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)時速為250km/h。

2 設(shè)計(jì)方案比選與結(jié)構(gòu)型式

橋式方案的選擇在鐵路設(shè)計(jì)線位的基礎(chǔ)上要綜合考慮施工難易度、橋梁美學(xué)、后期養(yǎng)護(hù)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等因素，結(jié)合規(guī)劃道路寬度和321省道不小于5.4m的凈空要求，設(shè)計(jì)首先考慮采用門式墩上架設(shè)斜交箱梁的形式，門式墩按一個墩立在路中綠化帶考慮，橫梁跨度在20m以上，縱向?qū)挾?.9m。對于橫梁通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)由于跨度過大，在軌道鋪設(shè)后收縮徐變上拱會影響上部簡支梁梁端轉(zhuǎn)角過大，梁部空間受力復(fù)雜，且門式墩整體觀感較差，故不采納門式墩結(jié)構(gòu)。其次考慮三孔剛構(gòu)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，按照道路規(guī)劃情況，剛構(gòu)連續(xù)梁的主跨需要做到150m，結(jié)構(gòu)形式為跨中梁高5m，支點(diǎn)處梁高10m，而繁昌特大橋跨越321省道處軌底到路面的高度為9.05m，采用連續(xù)剛構(gòu)很難滿足公路的凈空要求。經(jīng)過比較綜合考慮，本工程采用異形剛架形式，墩身為剛壁墩，梁部為門式框構(gòu)，頂板梁高1.3m，梗肋1.5×0.5m，墩高8m?？臻g剛架結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，縱橫向聯(lián)合受力，結(jié)構(gòu)高度明顯小于同等跨度的梁式橋，同時為了橋下能有足夠的采光滿足交通安全的要求，在異形剛架橋的邊墻及頂板上開了多個側(cè)窗和天窗，增加了橋下照明強(qiáng)度和均度，邊墻上開窗尺寸為1.6m×4.2m，間距3.13m，頂板上依據(jù)橋面布置，天窗尺寸1.5m×3.5m至1.5m×8.0m不等，光線從天窗和邊窗上的各個方向照射到橋下路面，避免了全天采用電力照明，但對結(jié)構(gòu)受力有一定影響。剛架基礎(chǔ)采用條形承臺下接連續(xù)布置的鉆孔樁基。全橋跨度為（39.6+18.7+41.3+18.7+39.6）m，順鐵路全長158.04m，垂直公路標(biāo)準(zhǔn)段全寬35m，施工采用滿堂支架法，施工期間公路交通采用臨時便線過渡，不受橋梁施工干擾。

3 模型建立及計(jì)算分析

3.1 建立模型

正交剛架橋一般取單元長度梁段按平面剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，但對于小角度斜交剛架橋，按同樣的簡化計(jì)算會產(chǎn)生很大的誤差，小角度斜交剛架橋在荷載作用下產(chǎn)生彎、剪、扭耦合，這種空間效應(yīng)而產(chǎn)生的內(nèi)力增大。為了考慮斜交剛架橋的空間效應(yīng)，我們借助有限元分析程序進(jìn)行建模分析。

本剛架共分為5個節(jié)段，節(jié)段1、節(jié)段5身長各39.6m，節(jié)段2、節(jié)段4身長各18.7m，節(jié)段3身長41.3m。節(jié)段1與節(jié)段2、節(jié)段4與節(jié)段5之間各設(shè)3cm的施工縫，節(jié)段2與節(jié)段3、節(jié)段3與節(jié)段4之間各設(shè)4cm的施工縫，銜接處設(shè)止水帶?？梢钥吹?，節(jié)段1、5為異形段，平面呈四邊形，寬度沿線路走向變化，節(jié)段2、4為標(biāo)準(zhǔn)段，平面呈矩形，為1-16m框架，節(jié)段3為標(biāo)準(zhǔn)2-16m框架，依據(jù)結(jié)構(gòu)空間對稱性及平面計(jì)算取最不利控制截面的結(jié)果，本次空間計(jì)算選取第一節(jié)段和第二節(jié)段進(jìn)行空間應(yīng)力分析。

空間計(jì)算采用有限元程序MIDAS-FEA對其建模分析，為全面反映剛架結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，有限元模型中框架身及承臺混凝土均采用實(shí)體單元。樁-土效應(yīng)采用FEA中的的“彈性連接”來模擬：首先，樁基六個自由度方向的柔度矩陣[δ]采用橋梁工程師來模擬，從而求得柱樁在六個自由度方向的剛度矩陣[K]。通過填充彈簧單元剛度來模擬實(shí)際的樁土效應(yīng)以及基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的影響。

剛架主梁采用C50混凝土，剛架身采用C40混凝土，鋼筋混凝土容重為26kN/m3，框架身混凝土彈性模量E=34000MPa；剪切模量G=14620MPa ；泊桑比μ=0.2，設(shè)計(jì)恒載考慮了自重，鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層、混凝土基座等線路設(shè)備，以及防水層、保護(hù)層、人行道或聲屏障、遮板、防護(hù)墻、接觸網(wǎng)支柱、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設(shè)施重量。在整體結(jié)構(gòu)分析中本次計(jì)算采用ZK活載加載計(jì)算?；炷恋氖湛s效應(yīng)等效為結(jié)構(gòu)體系整體溫度按升溫采用20°C， 降溫采用20°C，頂板不均勻升溫按10℃考慮，考慮相鄰樁基礎(chǔ)沉降差的影響。

荷載組合分別以主力、主力+附加力進(jìn)行組合，取最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)營階段荷載組合如下：

組合1（主力）：自重+二期恒載+預(yù)加應(yīng)力+收縮徐變+支座不均勻沉降+列車活載（含動力系數(shù)）+橫向搖擺力+離心力；

組合2（主+縱向附加力）：主力+溫度影響+制動力；

組合3（主+橫向附加力）：主力+橫向風(fēng)力。

3.2 空間應(yīng)力分析結(jié)果

通過有限元分析，在最不利荷載作用下，第一節(jié)段剛架最大豎向位移為8.2mm，第二節(jié)段剛架最大豎向位移為11.7mm。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，梁部結(jié)構(gòu)在ZK活載靜力作用下，梁體的豎向撓度不應(yīng)大于L/1400，在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，梁體的水平撓度應(yīng)小于或等于梁體計(jì)算跨度的1/4000，因此剛架位移滿足規(guī)范要求。

第一節(jié)段剛架混凝土最大主拉應(yīng)力發(fā)生于剛架主孔跨頂板底側(cè)，最大主拉應(yīng)力為3.6MPa，主要表現(xiàn)為橫橋向受拉。此最大主拉應(yīng)力發(fā)生于降溫工況下，主要位于頂板底側(cè)天窗孔洞附近。而頂板底側(cè)應(yīng)力大部分處于2.8MPa以內(nèi)，因此截取最大拉應(yīng)力區(qū)域截面進(jìn)行配筋檢算，結(jié)果如表1所示。

第一節(jié)段側(cè)墻最大主拉應(yīng)力發(fā)生于剛架主孔跨側(cè)墻外側(cè)，最大主拉應(yīng)力為2.89MPa。此最大主拉應(yīng)力發(fā)生于升溫工況下，主要位于側(cè)墻天窗孔洞附近。側(cè)墻其余部分主拉應(yīng)力均處于2.43MPa以內(nèi)，因此截取最大拉應(yīng)力區(qū)域截面進(jìn)行配筋檢算，結(jié)果如表2所示。

第二節(jié)段剛架混凝土最大主拉應(yīng)力發(fā)生于剛架頂板底側(cè)，最大主拉應(yīng)力為4.91MPa，主要表現(xiàn)為橫橋向受拉，且最大主拉應(yīng)力發(fā)生于降溫工況下。因此截取最大拉應(yīng)力區(qū)域截面進(jìn)行配筋檢算，結(jié)果如表3所示。

第二節(jié)段側(cè)墻最大主拉應(yīng)力發(fā)生于剛架側(cè)墻外側(cè)，最大主拉應(yīng)力為4.0MPa。此最大主拉應(yīng)力發(fā)生于升溫工況下，主要位于側(cè)墻天窗孔洞附近且側(cè)墻上半部分，因此截取最大拉應(yīng)力區(qū)域截面進(jìn)行配筋檢算，結(jié)果如表4所示。

經(jīng)檢算，結(jié)構(gòu)的截面強(qiáng)度、裂縫寬度等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.3 空間分析與平面分析的對比

經(jīng)空間應(yīng)力分析之后，獲得在最不利工況組合下剛架的最不利位置、配筋、受拉鋼筋應(yīng)力和裂縫值，與平面分析的相應(yīng)控制截面進(jìn)行對比。平面分析采用橋梁博士程序進(jìn)行，設(shè)計(jì)荷載含自重、二期恒載、活載、收縮徐變、不均勻沉降、溫度荷載等，梁部按以下3個工況進(jìn)行計(jì)算：①第2節(jié)段和第4節(jié)段按1-16m剛架計(jì)算，分別在端部和跨中加載包絡(luò)計(jì)算；②第3節(jié)段按2-16m剛架計(jì)算，分別在單孔跨中和中墻位置加載；③第1節(jié)段和第5節(jié)段剛架跨度左右不等，一側(cè)按1-16m剛架計(jì)算，在端部加載（同第①工況），另一側(cè)按（1-16+1-10）m和1-10m剛架計(jì)算，分別在10m剛架跨中和中墻位置加載。墩柱單元分別按實(shí)體單元和開孔單元兩種方式模擬。平面計(jì)算結(jié)果及與空間分析結(jié)果對比如表5。

可以看到，空間實(shí)體分析結(jié)果與平面分析結(jié)果存在一定誤差，通過分析造成誤差的原因主要有以下幾點(diǎn)：①平面分析中橫框計(jì)算采用的是特種ZK活載檢算，而框架空間實(shí)體分析采用的標(biāo)準(zhǔn)ZK活載進(jìn)行檢算。因此平面分析采用的活載較大，按鐵路規(guī)范取平面計(jì)算的配筋結(jié)果應(yīng)是較為保守的。②空間實(shí)體分析中，實(shí)體單元是不能直接得到截面內(nèi)力的。四面體單元離散的無規(guī)則性和單元尺寸大小、方向的限制，會使得通過截取截面提取內(nèi)力的方法，在提取內(nèi)力的過程中導(dǎo)致一定程度上的失真。因此通過空間實(shí)體分析中的應(yīng)力反推內(nèi)力，再進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算會帶來一定的誤差。③平面分析中橫框計(jì)算采用的是橋梁博士軟件，對于荷載組合包絡(luò)計(jì)算，橋梁博士軟件有時候會將不可能同時存在的荷載單項(xiàng)一并組合，從而導(dǎo)致所提內(nèi)力偏大，配筋結(jié)果偏大。

綜上所述，平面分析和空間實(shí)體分析可以起到相互校核參考的作用。

4 結(jié)論

通過空間分析計(jì)算，本結(jié)構(gòu)能夠滿足無砟軌道的各項(xiàng)強(qiáng)度及變形要求，且工程具有結(jié)構(gòu)高度低、結(jié)構(gòu)整體性好、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，適用于鐵路與公路、鐵路與鐵路交叉角度小的立交橋，具有一定的實(shí)用價值。

5 結(jié)束語

在結(jié)構(gòu)高度受限、斜交角度過小等客觀條件的制約下，本設(shè)計(jì)解決了工程實(shí)際中的一個難題，同時通過新穎的增加頂板天窗的做法解決了橋下照明度不夠的問題，節(jié)約了能源，是一種性價比較高的人工結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可為同類工程作為參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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