鐵路剛架橋受力特性研究分析

曹華杰

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津市300000）

0 引言

近年來，隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，鐵路網(wǎng)逐漸加密，鐵路與既有道路之間的交叉跨越不可避免。同時，由于跨越道路的復(fù)雜性，不同跨徑、斜交角度的剛架橋應(yīng)運而生[1]。

剛架橋由基礎(chǔ)、豎墻、頂板三部分組成[2]。該種結(jié)構(gòu)為豎墻與頂板整體剛性連接超靜定結(jié)構(gòu)，在豎向荷載作用下，豎墻處頂板產(chǎn)生負(fù)彎矩，可有效減小跨中正彎矩，從而使該類型結(jié)構(gòu)的跨中尺寸得以減小，具有結(jié)構(gòu)輕便、橋下凈空大的優(yōu)點。此外，剛架橋以其獨特的結(jié)構(gòu)特點，在不中斷交通情況下跨越既有線等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[3-4]。

本文以某新建鐵路為工程背景，基于Midas有限元軟件和Asc配筋程序，對不同孔徑、跨度和斜交角度的剛架橋受力和配筋情況進(jìn)行了分析探討[5-9]。

1 工程概況

某新建鐵路為雙線有砟軌道，設(shè)計時速250 km/h，線間距為4.6 m。其中部分工點因跨越溝渠和既有道路設(shè)計采用剛架橋結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為摩擦樁。依據(jù)現(xiàn)場條件，基于跨度、斜交角度、凈空要求，對工點進(jìn)行分類匯總（見表1）。

表1 剛架橋匯總

2 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

參考相同跨徑、斜交角度框構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)尺寸擬定剛架橋各細(xì)部尺寸，見圖1、圖2、表2。

表2 剛架橋結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 單孔剛架橋結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙孔剛架結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 荷載取值

3.1.1 恒載

（1）自重：混凝土容重采用25 kN/m3。

（2）二期恒載：包含有砟軌道結(jié)構(gòu)及附屬，直線無聲屏障采用205 kN/m，直線有聲屏障采用225 kN/m。

（3）不均勻沉降：采用5 mm。

（4）混凝土收縮徐變：采用-15℃。

（5）恒載土壓力。

3.1.2 活載

（1）活載：根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）采用ZK列車荷載圖式，相應(yīng)的動力參數(shù)按下式取值：

式中：lφ為梁的加載長度。

（2）橫向搖擺力：取值為100 kN，作用于軌頂。

（3）活載土壓力和離心力：《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）計算取值。

3.1.3 附加力

（1）風(fēng)力：w取值為700 Pa。

（2）制動力、牽引力：直線橋采用豎向靜活載的10%，曲線梁采用所豎向靜活載的7%。

（3）溫度荷載：整體升溫25℃，整體降溫-25℃，非線性升溫10℃。

3.1.4 特殊荷載

（1）地震力：根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（2009版）（GB 50111—2006）規(guī)定計算。

（2）長鋼軌縱向作用力：按《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》（TB 10015—2012）計算取值。

3.1.5 荷載組合

恒載：自重+二期恒載+混凝土收縮力+恒載土壓力+支座不均勻沉降。

活載：ZK活載+搖擺力+離心力+活載土壓力。主力1：恒載+活載。

主力2：自重+長鋼軌伸縮力+混凝土收縮+不均勻沉降。

主力+縱向附加力：恒載+制動力+溫度力+風(fēng)力。

主力+特殊荷載：恒載+列車靜活載+地震力。

3.2 建立模型

利用Midas Civil有限元軟件建立剛架橋板單元模型，采用彈性支承模擬基礎(chǔ)約束，將基礎(chǔ)剛度按單元長度分配到基底各節(jié)點上。僅列出雙孔模型，如圖3所示。該模型有節(jié)點1 178個，單元1 098個。

圖3 有限元模型

3.3 計算分析

建立相應(yīng)的模型，采用3.1節(jié)的荷載取值和荷載組合，提取較為控制的荷載組合內(nèi)力。從內(nèi)力圖（見圖4、圖5）得出：運營荷載作用下，剛架橋頂板跨中下緣受拉，豎墻處頂板上緣受拉，豎墻為壓彎構(gòu)件，豎墻上緣外側(cè)受拉。豎墻處頂板產(chǎn)生的負(fù)彎矩可有效減小跨中的正彎矩，從而使得該類型的結(jié)構(gòu)跨中尺寸得以減小，具有結(jié)構(gòu)輕便、橋下凈空大的特點。

圖4 主力1工況1～16 m剛架縱橋向彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖5 主力1工況2～14 m剛架縱橋向彎矩圖（單位：kN·m/m）

通過受力分析，根據(jù)各截面的內(nèi)力進(jìn)行配筋計算，將不同類型的剛架橋的配筋計算結(jié)果進(jìn)行匯總，見表3。主力組合鋼筋應(yīng)力最大值為165.75 MPa，裂縫最大值為0.169 mm，主力+附加力最大值為174.618 MPa，裂縫最大值為0.192 mm。計算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且結(jié)構(gòu)設(shè)計較為經(jīng)濟(jì)合理。

表3 配筋計算結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于鐵路剛架橋的實際應(yīng)用，擬定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸，通過建模分析結(jié)構(gòu)的受力特性和配筋計算，主要得出以下結(jié)論：

（1）剛架橋因其獨特的結(jié)構(gòu)特點在不中斷交通的情況下跨越既有道路等方面有廣泛的應(yīng)用。

（2）單孔、雙孔剛架橋在運營荷載作用下表現(xiàn)出類似的受力特點。當(dāng)跨徑較大采用單孔剛架橋不能滿足設(shè)計要求時，可考慮采用雙孔剛架橋以減小跨中的彎矩。

（3）對于不同孔徑、凈高、斜交角度的剛架橋，采用本文的結(jié)構(gòu)尺寸均可滿足配筋計算的要求，且結(jié)構(gòu)設(shè)計較為經(jīng)濟(jì)合理，可為類似項目提供參考。