南水北調(diào)中線鐵路框架橋設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備對(duì)比

管巧艷，袁振霞，杜　暉，王耀飛

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000；3.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007；4.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

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南水北調(diào)中線鐵路框架橋設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備對(duì)比

管巧艷1,2，袁振霞3，杜暉4，王耀飛4

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000；3.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007；4.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

南水北調(diào)中線工程鐵路框架橋上層過火車，下層過水。為保證工程安全，需同時(shí)滿足鐵路和水利兩個(gè)行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，鐵路現(xiàn)行規(guī)范采用容許應(yīng)力法，水利現(xiàn)行規(guī)范采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。以中鋁企業(yè)站鐵路框架橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用鐵路和水利兩種規(guī)范計(jì)算，針對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、鋼筋應(yīng)力、混凝土壓應(yīng)力、裂縫寬度、配筋率等方面進(jìn)行分析對(duì)比。結(jié)果表明：鐵路規(guī)范配筋率大于水利規(guī)范配筋率，鐵路規(guī)范裂縫寬度小于水利規(guī)范裂縫寬度，鐵路規(guī)范容許應(yīng)力法安全儲(chǔ)備大于水利規(guī)范極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

容許應(yīng)力法；極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法；配筋率；安全儲(chǔ)備；南水北調(diào)中線工程

1　工程概況

工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度。工程地質(zhì)條件：①重粉質(zhì)壤土(Q3)；②卵石(Q2)；③重粉質(zhì)壤土(Q2)；④卵石(Q2)；⑤重粉質(zhì)壤土(Q2)；⑥卵石(Q2)；⑦粉質(zhì)黏土(Q2)；⑧泥巖(C2b)；⑨灰?guī)r(O2S)。

圖1　中鋁企業(yè)站鐵路框架橋立面圖

2　鐵路規(guī)范—容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)

2.1容許應(yīng)力法

現(xiàn)行的鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范采用的是容許應(yīng)力法。容許應(yīng)力法是以構(gòu)件帶裂縫工作階段的應(yīng)力狀態(tài)為計(jì)算依據(jù)，容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法將材料視為理想彈性體，用線性彈性理論方法，算出結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載下的應(yīng)力，要求任一點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力不大于材料的容許應(yīng)力。一般的設(shè)計(jì)表達(dá)式為σ≤[σ]，容許應(yīng)力[σ]由規(guī)定的材料彈性極限(或極限強(qiáng)度、流限)fk除以大于1的單一安全系數(shù)K而得。

容許應(yīng)力設(shè)計(jì)應(yīng)用簡便，是工程結(jié)構(gòu)中的一種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，目前在鐵路工程設(shè)計(jì)中仍在應(yīng)用。它的主要缺點(diǎn)是由于單一安全系數(shù)是一個(gè)籠統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，因之給定的容許應(yīng)力不能保證各種結(jié)構(gòu)具有比較一致的安全水平，也未考慮荷載增大的不同比率或具有異號(hào)荷載效應(yīng)情況對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響。

2.2安全系數(shù)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

容許應(yīng)力法用安全系數(shù)K使承載能力有一定的安全儲(chǔ)備，K的取值由結(jié)構(gòu)類型、荷載組合等因素決定，該系數(shù)取值是經(jīng)驗(yàn)性。

根據(jù)《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》(TB10002.3-2005)要求，采用容許應(yīng)力法對(duì)截面進(jìn)行驗(yàn)算，受力主筋采用HRB335鋼筋，容許應(yīng)力為180 MPa；結(jié)構(gòu)主體采用C40混凝土，彎曲受壓及偏心受壓時(shí)容許應(yīng)力為13.5 MPa；框架橋結(jié)構(gòu)裂縫寬度容許值為0.2 mm。

2.3計(jì)算工況

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、鐵路、水利運(yùn)營情況共采用以下四種設(shè)計(jì)工況，工況一為完建期，渠道無水；荷載組合：涵洞自重+上部框架、軌道荷載+側(cè)向土壓力。工況二為完建期，渠道無水，上部火車荷載；荷載組合：涵洞自重+上部框架、軌道荷載+側(cè)向土壓力+火車荷載。工況三為運(yùn)行期，渠道加大水深，上部無火車荷載；荷載組合：涵洞自重+上部框架、軌道荷載+側(cè)向土壓力+渠道加大水深。工況四為運(yùn)行期，渠道加大水深，上部火車荷載；荷載組合：涵洞自重+上部框架、軌道荷載+側(cè)向土壓力+渠道加大水深+火車荷載。

2.4計(jì)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分別計(jì)算出各種工況下的截面內(nèi)力，確定框架橋各部位的最不利計(jì)算工況下彎矩和內(nèi)力，采用《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》計(jì)算混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、截面裂縫寬度，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　鐵路規(guī)范各控制工況下計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，框架橋最大混凝土壓應(yīng)力為6.78 MPa發(fā)生在工況四下的頂板內(nèi)側(cè)，小于C40混凝土容許應(yīng)力為13.5 MPa；鋼筋應(yīng)力最大拉應(yīng)力150 MPa發(fā)生在工況二下的中孔底板內(nèi)側(cè)，小于鋼筋容許應(yīng)力為180 MPa；裂縫寬度為0.164 mm發(fā)生在工況二下的中孔底板內(nèi)側(cè)，小于裂縫寬度容許值為0.2 mm?？蚣軜蛏矶谓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、截面裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

3　水利規(guī)范—極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

3.1極限狀態(tài)理論

極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法以極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀態(tài)，用概率論處理結(jié)構(gòu)的可靠性問題。設(shè)計(jì)的原則是荷載引起的荷載效應(yīng)S在規(guī)定的極限狀態(tài)下大于抗力的概率不應(yīng)超過規(guī)定限值，即：按照概率程度高低，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法可以分為3個(gè)水準(zhǔn)，即水準(zhǔn)1—半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，水準(zhǔn)2—近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，水準(zhǔn)3-全概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。目前水利規(guī)范采用的為近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：KS≤R，K為承載力安全系數(shù)，S為荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力設(shè)計(jì)值。

正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算應(yīng)按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行，設(shè)計(jì)表達(dá)式為：

Sk(Gk,Qk,Fk,ak)≤c，Sk(·)為正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值函數(shù)，c為結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常適用要求所規(guī)定的變形、裂縫寬度或應(yīng)力等的限值。

3.2安全系數(shù)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)要求，采用承載能力和正常使用極限狀態(tài)對(duì)截面進(jìn)行驗(yàn)算，自重分項(xiàng)系數(shù)為1.05，荷載分析系數(shù)1.2，承載力安全系數(shù)1.35，結(jié)構(gòu)裂縫寬度容許值為0.3 mm，但考慮到施工后鋼筋保護(hù)層厚度為6 cm，裂縫限裂寬度限值可增加0.05。

3.3計(jì)算工況及結(jié)果

結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用有限元軟件ANSYS建模計(jì)算。本工程為上下層分離結(jié)構(gòu)，模型僅取下層過水?dāng)嗝鏅M向三孔框架進(jìn)行計(jì)算，順?biāo)飨蛉? m長度。采用Beam3單元作為框架結(jié)構(gòu)單元。三孔框架之間接觸部位采用contact171、targe169接觸單元。地基基礎(chǔ)采用彈簧單元combin14模擬，根據(jù)地勘資料，框架基礎(chǔ)位于第⑤層重粉質(zhì)壤土層，屬密實(shí)土壤，基床系數(shù)采用40 MPa。上層三孔框架結(jié)構(gòu)及軌道荷載折算為均布荷載施加到下層涵洞頂板頂面，側(cè)向土壓力直接施加到邊孔邊墻外側(cè)。采用有限元方法計(jì)算出各種工況下的截面內(nèi)力，確定框架橋各部位的最不利計(jì)算工況下彎矩和內(nèi)力，采用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算鋼筋、截面裂縫寬度，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　水利規(guī)范各控制工況下計(jì)算結(jié)果表

4　結(jié)果對(duì)比分析

(1)頂板

鐵路規(guī)范邊孔和中孔的頂板內(nèi)側(cè)每延米配筋20Φ28，鋼筋面積為123.15 cm2，配筋率為0.82%；頂板外側(cè)每延米配筋16Φ28，鋼筋面積為98.5 cm2，配筋率為0.66%。水利規(guī)范邊孔和中孔的頂板內(nèi)側(cè)每延米配筋15Φ28，鋼筋面積為87.23 cm2，配筋率為0.58%；頂板外側(cè)每延米配筋14Φ28，鋼筋面積為81.9 cm2，配筋率為0.55%。鐵路規(guī)范頂板內(nèi)側(cè)、外側(cè)的配筋率比水利規(guī)范分別多出0.24%、0.11%。

(2)底板

鐵路規(guī)范邊孔和中孔的底板內(nèi)側(cè)每延米配筋20Φ28，鋼筋面積為123.15 cm2，配筋率為0.77%；底板外側(cè)每延米配筋12Φ28，鋼筋面積為73.9 cm2，配筋率為0.46%。水利規(guī)范邊孔和中孔的底板內(nèi)側(cè)每延米配筋5Φ28，鋼筋面積為76.36 cm2，配筋率為0.48%；底板外側(cè)每延米配筋11Φ28，鋼筋面積為65.46 cm2，配筋率為0.41%。鐵路規(guī)范底板內(nèi)側(cè)、外側(cè)的配筋率比水利規(guī)范分別多出0.29%、0.05%。

(3)豎墻(即邊墻和縫墻)

鐵路規(guī)范邊孔和中孔的豎墻內(nèi)側(cè)每延米配筋8Φ28，鋼筋面積為49.3 cm2，配筋率為0.35%；豎墻外側(cè)每延米配筋12Φ28，鋼筋面積為53.9 cm2，配筋率為0.53%。水利規(guī)范邊孔和中孔的豎墻內(nèi)側(cè)每延米配筋5Φ28，鋼筋面積為26.5 cm2，配筋率為0.19%；豎墻外側(cè)每延米配筋8Φ28，鋼筋面積為44.01 cm2，配筋率為0.31%。鐵路規(guī)范豎墻內(nèi)側(cè)、外側(cè)的配筋率比水利規(guī)范分別多出0.16%、0.22%。

5　結(jié)論

(1)采用鐵路、水利行業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斷面及配筋均能滿足各自行業(yè)承載能力要求，鐵路行業(yè)規(guī)范計(jì)算裂縫開展寬度最大0.161 mm(<0.2 mm)，水利行業(yè)規(guī)范計(jì)算裂縫開展寬度最大0.238 mm(<0.3 mm)，均能滿足裂縫開展寬度限值要求。

(2)中鋁企業(yè)站框架橋各部位的配筋率鐵路規(guī)范比水利規(guī)范多出0.05%～0.29%，表明鐵路規(guī)范容許應(yīng)力法比水利規(guī)范極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法安全儲(chǔ)備過高，鐵路規(guī)范采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法勢(shì)在必行。

[1]《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)[S].

[2]《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》(TB10002.3-2005)[S].

[3]高策，薛吉崗.鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范由容許應(yīng)力法轉(zhuǎn)換為極限狀態(tài)法的思考[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(2)：41-45.

[4]孫緒杰，鄭文忠.鋼筋混凝土構(gòu)件宏觀安全儲(chǔ)備[J].工業(yè)建筑,2008(4):44-46.

[5]朱索貴，朱萬清，尹廣升.水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)極限狀態(tài)理論的認(rèn)識(shí)[J].黑龍江水利科技,1998(3):40-42.

[6]周詩廣，張玉玲.我國鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)軌的認(rèn)識(shí)與思考[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究,2011(3)27-32.

Safety reserve of railway frame bridge design in Middle Route Project of South-to-North Water Transfer Project

GUAN Qiao-yan1,2,YUAN Zhen-xia3,DU Hui4,WANG Yao-fei4

(1.TheDepartmentofCivilEngineeringofZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450000,China;2.CollaborativeInnovationCenterforAviationEconomyDevelopmentofHenanProvince,Zhengzhou450000,China;3.ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China;4.HenanInvestigationDesignInstituteofWaterResourcesCo.，Ltd.，Zhengzhou450016,China)

The railway frame bridge in the Middle Route Project of South-to-North Water Transfer Project,on the upper level of the railway frame bridge runs the train,and under it the river flows.In order to ensure the safety of the project,we need to meet both the design specifications of railway and water conservancy.The allowable stress method is adopted in the current standard of the railway,and the limit state design method is adopted in the current standard of water conservancy.Taking the railway frame bridge of Zhonglü station as the research object,using two kinds of standard calculation of railway and water conservancy,the analysis and comparison are made according to the design standard,the stress of steel bar,concrete compressive stress,crack width,reinforcement ratio and so on.The results show that the reinforcement ratio is greater than the Railway Standard Specification reinforcement ratio,and the crack width is less than the railway standard specification of crack width,the railway standard allowable stress safety specification is greater than the limit state design method.

allowable stress method; limit state design method; steel ratio; safety reserve; the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

2016-03-30

國家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAB07B07)

管巧艷(1979—)，女，河南蘭考人，碩士研究生，講師。

1674-7046(2016)05-0007-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.002

U24

A