摘要 文章以普速鐵路車站新建人行地道為背景,通過計算公式推導、Midas建模分析進行結構配筋設計。采用有限元模型受力計算和公式計算相結合的方法,對下穿鐵路人行地道框架結構受力主筋的直徑、根數(shù)進行設計,并采用框架結構配筋軟件驗證其準確性,為以后類似的框架結構配筋設計提供一定的參考。
關鍵詞 鐵路人行地道;框架結構;有限元模型;配筋設計
中圖分類號 U445.57文獻標識碼 A文章編號 2096-8949(2022)09-0102-04
引言
城市的鐵路建設完成后,一般都將城市分割成兩個區(qū)域,鐵路建設時兩側的區(qū)域發(fā)展并非均衡,因此穿越鐵路的通道在鐵路建設時期并未充分考慮。近些年來我國經(jīng)濟飛速發(fā)展,城市規(guī)模在不斷地擴大,蓬勃發(fā)展的建成區(qū)逐漸將鐵路及車站包圍。城市發(fā)展需要交通的引導,鐵路兩側區(qū)域的連通需要穿越鐵路的通道,在道路與鐵路交叉穿越形式中,框架結構由于施工簡單、結構簡易等優(yōu)點被廣泛使用[1]。城市火車站兩側建成區(qū)人口密集,鐵路車站附近人行流量巨大,車站兩端咽喉應設置人行通道,方便周邊居民、車站旅客通行,減少繞行。在過去的鐵路車站建設中,多數(shù)未考慮車站兩側的連通。近些年來下穿既有車站的人行通道建設越來越多,其中人行通道結構配筋的關系到工程安全,應當引起重視。該文結合具體案例,對人行通道結構配筋進行了詳細論述。
1 項目背景
淮南站處于安徽省淮南市,為中國鐵路上海局集團所管理的二等車站,是淮南鐵路、阜淮鐵路上的重要站點?;茨险臼腔茨鲜凶畲蟮蔫F路客運、貨運站,2019年11月改造后新站房正式投入使用?;茨险菊颈睆V場與舜耕中路相鄰,站南與洞山東路相鄰,車站南北兩側均是建設成熟的片區(qū),結合淮南站改建工程,新建地下人行通道與南北道路相連,能夠為旅客進出站和四周居民出行帶來極大便利,提升整個淮南站的便民服務功能。
該文依托淮南站新建人行地道項目,通過有限元模型計算和公式計算,對人行地道框架結構配筋進行設計,并與設計軟件配筋結果對比,能夠為以后的類似項目提供參考。
2 計算公式
2.1 計算依據(jù)
依據(jù)《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》(TB 100092
—2017)中的條文規(guī)定,框架結構設計計算采用容許應力法[2]。各材料容許值按以下取用:
混凝土:C40,[σb]=13.5 MPa;鋼筋:HRB400:主力時[σs]=210 MPa,主力+附加力時[σs]=270 MPa。
框架結構在進行強度計算時,不考慮混凝土受拉,拉力全部由鋼筋承受。
人行地道框架結構頂板和底板取單位寬度按照受彎梁進行計算,邊墻取單位寬度按照偏心受壓構件進行計算。
2.2 受彎構件計算
受彎構件按雙筋矩形梁進行設計,先假設受壓、受拉區(qū)鋼筋面積,然后計算材料應力進行復核。
采用換算截面和內力偶進行計算。受拉區(qū)鋼筋的換算截面面積為,受壓區(qū)鋼筋的換算截面面積為,換算截面總面積為:。
中性軸通過換算截面的形心,即,可得下式:
(1)
由式(1)可解得:
(2)
式(2)中,;
。
內力偶臂,其中y為壓應力的合力D至中性軸的距離,則有:
(3)
式(3)中,Ia——受壓區(qū)截面對中性軸的慣性矩;Sa——受壓區(qū)截面對中性軸的靜矩。
通過式(1)~(3)可求出鋼筋和混凝土應力:
受拉鋼筋應力:
混凝土最大壓應力:
受壓鋼筋應力:
2.3 偏心受壓構件計算
在容許應力法中,偏心受壓構件在計算前需要判斷大、小偏心。
如果是小偏心受壓,軸向壓力作用在截面核心之內(e0≤k),這時截面是全部受壓,即中性軸在截面外;如果是大偏心受壓,軸向壓力作用在截面核心之外(e0>k),這時截面是部分受壓、部分受拉,即中性軸在截面內[3]。
經(jīng)過計算,設計中邊墻為大偏心受壓構件,可考慮設計按不對稱配筋,相關的計算公式及過程如下:
2.3.1 確定中性軸位置(求x)
對軸向壓力N的作用點取矩,,得出下式:
(4)
由式(4)得出的關于x的一元三次方程有可能出現(xiàn)平方項,為了求解方便,以y為變量進行代換,令,則有:
(5)
(6)
(7)
將式(5)~(7)代入式(4),簡化得出下式:
(8)
式(8)中,
;。
計算得出:
(9)
由上述y值,可求得混凝土受壓區(qū)高度。
2.3.2 截面應力計算
根據(jù)對混凝土截面重心取矩的平衡條件,即0,得出下式:
(10)
由于
,,
代入式(10),可得:
整理后得:
≤ (11)
由應力比例關系得:
≤;≤
上述式(4)~(11)各式中,
N——計算軸向壓力;
e——N到混凝土截面重心的距離;
、——分別為受壓鋼筋、受拉鋼筋的面積;
、——分別為的壓應力、的拉應力;
、——分別為到、的距離;
、a——分別為、到截面邊緣的距離;
g——N至受壓邊緣的距離;
x——受壓區(qū)高度;
y——N至中性軸的距離;
——受壓區(qū)混凝土壓應力的合力;
——混凝土受壓邊緣的最大壓應力;
b、h——截面短邊、長邊的長度。
3 有限元模型計算
設計新建人行地道結構總寬為13.8 m,結構內凈寬為12.0 m,邊墻厚為0.9 m;結構總高為6.8 m,結構凈高為5 m,裝修后凈高為3.5 m,頂板厚為0.9 m,底板厚為0.9 m;通道總長度約為122 m。結構選用C40混凝土和HRB400鋼筋。
3.1 模型建立
框架結構利用Midas Civil軟件建立有限元模型,并進行受力分析。頂?shù)装寮斑厜Σ捎冒鍐卧M行模擬,地基采用彈簧單元模擬[1],取10 m長為計算單位。
框架結構模型施加的荷載包含恒載和活載。其中:恒載包含結構自重、線路設施重、混凝土收縮、土壓力、路面重量;活載包含ZKH活載、活載土壓力、制動力、行包車荷載和人行荷載[4]。
3.2 內力分析
利用Midas Civil軟件對模型進行計算,提取以下三種荷載組合情況下的計算結果:①主力=恒載+ZKH活載+行包車荷載+活載土壓力,②主力+附加力=主力+制動力+整體升溫,③主力+附加力=主力+制動力+整體降溫。
3.2.1 主力作用下計算結果
根據(jù)Midas計算結果,提取主力作用下框架結構內力示意圖(如圖1、圖2)。
3.2.2 主力+附加力作用下計算結果
根據(jù)Midas計算結果,提取主力+附加力作用下框架結構內力示意圖(如圖3~6)。
3.2.3 內力結果
根據(jù)Midas計算結果,提取頂板、底板和邊墻主要截面處的單元內力(彎矩M、剪力V、軸力N)匯總如表1。
3.3 主筋配筋及驗證
根據(jù)計算公式和Midas模型提取內力,計算框架結構主筋配置直徑及根數(shù),計算結果列表如表2。
采用配筋軟件鐵路框架橋CAD系統(tǒng)對人行地道框架結構進行設計,材料圖顯示配筋結果:①頂板上緣鋼筋為4根?25鋼筋,頂板下緣鋼筋16根?25鋼筋;②底板上緣鋼筋為14根?25鋼筋,底板下緣鋼筋4根?25鋼筋;③邊墻外側為12根?25鋼筋,邊墻內側為8根?16鋼筋。軟件計算結果與公式計算結果基本一致,表明有限元模型及公式計算配筋具有一定的準確性和可應用性。
4 結語
該文以新建鐵路人行地道設計為基礎,通過對受彎構件、偏心受壓構件計算公式進行推導,結合Midas有限元模型受力計算,介紹了鐵路框架結構配筋設計的方法;并與鐵路框架橋配筋軟件的設計結果進行對比,計算配筋與軟件配筋結果基本一致,驗證了計算配筋方法的準確性和可應用性,能夠為同類項目的結構設計提供一定的參考。
參考文獻
[1]張瑋. 鐵路斜交框架橋混凝土裂縫成因及控制[J]. 四川建筑, 2009(1): 203-204.
[2]鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范: TB100092—2017[S]. 北京:中國鐵道出版社, 2017.
[3]孫元桃. 結構設計原理(第5版)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2021.
[4]楊建良. 鐵路框構橋設計體會[J]. 鐵道標準設計, 2009(3): 80-82.
收稿日期:2022-03-15
作者簡介:楊偉(1990—),男,碩士研究生,工程師,研究方向:橋梁工程。