斜交框架橋配筋設(shè)計(jì)

蔣歡

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 引言

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程不斷向前推進(jìn)，城市建設(shè)得到極大的發(fā)展。目前，鐵路跨越公路市政道路一般采用框架橋結(jié)構(gòu)[1，2]?？蚣軜蛑赣身敯?、底板、邊墻和多跨情況下的中墻組成的封閉框架，頂板主要承受鐵路荷載，底板主要承受公路、人行等荷載。

2 斜交框架橋配筋設(shè)計(jì)方法

目前，鐵路正交鐵路框架橋經(jīng)常采用簡化算，沿橫橋向取單位長度，按平面框架結(jié)構(gòu)建立模型，將活載、恒載、土壓力、汽車行人荷載等簡化為分布荷載作用于結(jié)構(gòu)上，對框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算并配置鋼筋[3，4]。對于斜交框架也往往采用此類似方法，只不過將計(jì)算跨度采用正截面跨度除以斜交角的余弦；邊墻采用剛度相等原理把單位長度內(nèi)斜交框架邊墻轉(zhuǎn)換為正框架邊墻；頂?shù)装骞Ｒ搁L度除以斜交角余弦。但斜交框架橋?qū)儆诳臻g結(jié)構(gòu)，隨著角度的增大由兩側(cè)土壓力所引起的扭矩也會(huì)越來越大，已經(jīng)變得不能再被忽略。因此，有必要建立斜交框架橋空間模型對其內(nèi)力進(jìn)行分析，并根據(jù)其分析結(jié)果進(jìn)行鋼筋配置[5]。

3 框架橋結(jié)構(gòu)尺寸

建立同一跨度不同角度的框架橋模型來計(jì)算并分析其結(jié)構(gòu)內(nèi)力并配筋情況。其結(jié)構(gòu)尺寸詳見表1。

表1 框架橋結(jié)構(gòu)尺寸

4 Midas Civil

4.1 荷載

根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》4.1 條規(guī)定，將荷載分為恒載、活載、附加力以及特殊荷載?？蚣軜蚪Y(jié)構(gòu)中的荷載示意圖如圖1 所示。

圖1 框架橋結(jié)構(gòu)中的荷載示意圖

4.1.1 恒載

對框架結(jié)構(gòu)其作用的恒載有：混凝土結(jié)構(gòu)自重，混凝土收縮徐變，頂板上線路設(shè)備、道砟、填土引起的荷載，框架橋兩側(cè)土壓力[6-8]。本次建?？蚣軜蚓礋o填土設(shè)計(jì)。

4.1.2 活載

活載主要有：列車活載，活載引起的土壓力，橫向搖擺力?？蚣軜騼?nèi)汽車及人行以及水壓力荷載對框架橋受力有利，因此，建模時(shí)未計(jì)入此類荷載。活載引起的側(cè)向土壓力僅計(jì)列單側(cè)。

4.1.3 附加力

附加力主要包括：制動(dòng)力或牽引力，溫度變化作用。制動(dòng)力與行車方向一致，牽引力與行車方向相反。

4.1.4 特殊荷載特殊荷載主要包括：列車脫軌荷載、地震力等。本文建模均不考慮特殊荷載。

4.1.5 荷載組合

荷載組合：列車、活載土壓力、搖擺力、制動(dòng)力、溫度等作用對框架橋結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分的最大、最小內(nèi)力等最不利效應(yīng)的影響是不同的。在荷載組合時(shí)要考慮到所有的可能組合：（1）恒載+搖擺力+單向活載土壓力；（2）恒載+列車活載+搖擺力；（3）恒載+列車活載+搖擺力+單向活載土壓力；（4）以上各種組合疊加溫度效應(yīng)和制動(dòng)力。

4.2 建模

根據(jù)框架橋分節(jié)情況，模型橫橋向長度均取8 m，采用上述荷載組合形式進(jìn)行加載。模型底部采用受壓彈簧模擬彈性地基。各框架橋模型分割單元數(shù)詳見表2。

表2 框架橋模型分割單元

4.3 結(jié)果分析

圖2 為框架橋主彎矩示意圖，分析所有框架橋的主彎矩示意圖可以看出：

圖2 框架橋主彎矩示意圖

1）斜交框架橋上會(huì)有彎矩、扭矩及剪力作用，這與正交框架橋相同，但斜交框架橋扭矩會(huì)隨著斜交角度的增加而增大，而且最大跨內(nèi)縱向彎矩會(huì)比同等跨度的正交框架橋??；

2）頂板、底板內(nèi)力分布不均勻，邊墻與頂?shù)装暹B接處內(nèi)力也比較大；

3）最大縱向彎矩發(fā)生鈍角部位附近，且形狀不對稱，斜交角度越大越靠近鈍角。

5 鋼筋配置

5.1 利用Midas Civil計(jì)算結(jié)果配筋

選取Midas Civil 最不利的荷載組合情況，沿縱橋向選取單位長度（單位：m）結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。鋼筋采用HRB400 鋼筋。

1）跨中最大彎矩和支撐邊最大彎矩取相同值。

2）主筋配置方向主要與斜跨長與框架正截面跨度比關(guān),當(dāng)比值大于1.25 時(shí)或者小于0.7 時(shí)，主筋沿橋軸線方向布置；當(dāng)比值在0.7 和1.25 之間時(shí)，可沿支承邊垂線方向配置鋼筋。

3）分布鋼筋布置方向則與框架橋斜交角度有關(guān)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，斜交角度＜15°時(shí)，分布鋼筋沿框架橋邊墻方向配置。當(dāng)角度＞15°時(shí)，一般采用沿與橫橋向垂直的方向布置，但有時(shí)為施工便利也可沿橋邊墻方向配置。

4）在鈍角附近應(yīng)配置加強(qiáng)鋼筋。

根據(jù)以上配筋原則并結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)決定：（1）分布鋼筋沿橋邊墻方向布置，直徑采用16 mm，間距20 cm，在靠近邊墻位置適當(dāng)降低間距。（2）框架橋主筋均按橋軸線方向布置，頂、底板主筋數(shù)量根據(jù)主彎矩配置，并視框架橋頂?shù)装鍙澗厍闆r向下或向上彎起?？蚣軜虻菇翘幵O(shè)置斜筋。邊墻內(nèi)外側(cè)豎向鋼筋采用直徑為16 mm。箍筋直徑采用10 mm。表1 內(nèi)框架橋主筋配置情況詳見表3。

表3 主筋配置詳表

5.2 平面框架分析并配置鋼筋

利用某框架橋配筋軟件，此軟件對斜交框架橋采用的基本計(jì)算方法為平面框架的分析方法。其配筋結(jié)果詳見表4。

表4 主筋配置詳表

通過表3 和表4 可以明顯看出：利用平面框架橋方法計(jì)算斜交框架橋并配筋，其鋼筋配置會(huì)明顯偏大，且隨著斜交角度的增加計(jì)算偏差會(huì)越來越大。

6 結(jié)語

斜交框架橋不同于正交框架橋，屬于空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，規(guī)律難尋。

1）斜交板在受到均布力的情況下依然會(huì)出現(xiàn)較大扭矩。因此，對于斜交特別是大角度斜交的框架橋，如繼續(xù)采用平面框架的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算并配筋，必然是不合理的。

2）隨著斜交角度的增大空間效應(yīng)而產(chǎn)生的內(nèi)力也會(huì)增大，在斜板的鈍角角隅處會(huì)出現(xiàn)較大的反力和剪力，銳角角隅處則出現(xiàn)較小的反力，甚至?xí)霈F(xiàn)翹起。當(dāng)斜交角度＞15°時(shí)應(yīng)該考慮在框架橋鈍角處配置鈍角加強(qiáng)筋。

3）隨著斜交角度的增大框架橋兩側(cè)的土壓力產(chǎn)生的扭矩越來越大，尤其是斜交角度＞15°時(shí)，應(yīng)建立斜交框架橋的空間計(jì)算模型，正確分析結(jié)構(gòu)受力特征，考慮其所有內(nèi)力分布情況，并針對設(shè)計(jì)要求，采取合理的配筋方案，可以明顯降低工程造價(jià)。