斜交框構(gòu)橋設(shè)計要點的探討

柴桂紅

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142)

隨著鐵路運輸行業(yè)和城市的不斷發(fā)展,控制鐵路選線條件愈加復(fù)雜,鐵路與公路、鐵路與鐵路互跨現(xiàn)象越來越多?？驑?gòu)橋由于具有建筑高度低、斷面輕巧,總體布置靈活,對地基承載力要求低,抗震性能好,整體性能好,施工方便,在城市道路穿越鐵路立交工程中或在鐵路既有橋改造工程中,被廣泛采用。結(jié)合東北東部鐵路通道大連鐵路樞紐改造工程金北聯(lián)框構(gòu)橋工程實例探討斜交框構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的幾個要點。

1 工程概況

1.1 線位概述

東北東部鐵路通道大連鐵路樞紐改造工程金北聯(lián)框構(gòu)小橋為改哈大左線、丹大左、右線上跨貨物上、下行聯(lián)絡(luò)線而設(shè),為既有哈大左線上跨既有金城貨運線框構(gòu)改擴建工程,各線位平面布置詳見圖1。線路相對關(guān)系詳見表1。

表1 線位關(guān)系

1.2 設(shè)計方案

根據(jù)跨越兩線交角,框構(gòu)夾角可采用45°,經(jīng)過方案比較及受力分析,兩聯(lián)框構(gòu)均采用1—14 m,斜交30°,以減小結(jié)構(gòu)的尖角產(chǎn)生的應(yīng)力集中。改哈大左線框構(gòu)橫向長度為33.3 m,丹大正線框構(gòu)橫向長度為35.88 m,基底置于σ0=1 200 kPa的石灰?guī)r上?？驑?gòu)平面布置詳見圖1,立面布置詳見圖2。

圖1 框構(gòu)方案平面布置

圖2 框構(gòu)方案立面(單位：cm)

2 有限元模型

為便于分析,對改哈大左線框構(gòu)采用MIDAS分析軟件建立空間有限元模型,進行結(jié)構(gòu)受力分析?？驑?gòu)采用板單元,結(jié)構(gòu)基底采用面彈性支撐模擬彈性地基,在基底與支撐面之間加彈性連接,彈性支撐剛度為豎向地基系數(shù)C0。在基底中央節(jié)點加順橋向、橫橋向水平約束,基底中央沿橫橋向所有節(jié)點加順橋向的水平約束。計算模型如圖3所示。計算荷載包括恒載、列車活載、制動力、混凝土收縮徐變、溫度效應(yīng)、恒載土壓力、活載土壓力、不均勻沉降等,根據(jù)可能出現(xiàn)的情況采用以下幾種荷載組合進行分析。

圖3 MIDAS有限元模型

組合1：恒載+頂板中活載+制動力+混凝土收縮徐變+恒載土壓力+活載土壓力；

組合2：組合1+底板單線行車；

組合3：組合1+底板雙線行車；

組合4：組合3+升溫25 ℃；

組合5：組合3+降溫30 ℃。

3 設(shè)計要點

該框構(gòu)斜交角度較小,設(shè)計中重點考慮了以下幾個要點。

3.1 頂、底板鈍角區(qū)應(yīng)力集中

通過計算分析得出在上述各組合工況作用下,斜交框構(gòu)頂板、底板跨中均出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,且較大主拉應(yīng)力分布區(qū)域偏向鈍角區(qū)方向,應(yīng)力分布詳見圖4、圖6。在頂板頂面、底板底面鈍角區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,具體應(yīng)力分布詳見圖5、圖7。對于斜交框構(gòu)橋,頂板最大彎矩不在跨中而偏向鈍角側(cè)。為了解決鈍角區(qū)局部應(yīng)力集中問題,鈍角處應(yīng)適當(dāng)增大配筋,配置鋼筋網(wǎng),控制主拉應(yīng)力以滿足規(guī)范要求。

圖4 頂板板底應(yīng)力圖(單位：kPa)

圖5 頂板板頂應(yīng)力圖(單位：kPa)

圖6 底板板頂應(yīng)力圖(單位：kPa)

圖7 底板板底應(yīng)力圖(單位：kPa)

3.2 路基與框構(gòu)橋銜接

為確保行車舒適性,框構(gòu)橋與路基連接處,設(shè)計應(yīng)滿足：在中-活載作用下,路基與橋梁過渡處梁端轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于θ=3×10-3rad的要求,本框構(gòu)經(jīng)計算得梁端轉(zhuǎn)角θ=0.116×10-3rad,小于3×10-3rad。由于框構(gòu)斜交角度小,部分枕木處于軟硬不均狀態(tài),對運營及養(yǎng)護不利,因此與框構(gòu)相銜接的路基過渡段應(yīng)設(shè)置圬工轉(zhuǎn)正體結(jié)構(gòu),使邊線與線路垂直,以保證剛度的平順過渡。

3.3 結(jié)構(gòu)主體不均勻沉降

橫向結(jié)構(gòu)尺寸較大的框構(gòu),為避免不均勻沉降,橫向宜分節(jié),但有些框構(gòu)考慮結(jié)構(gòu)受力及行車平順的需要,不便于分節(jié)。因此,控制基礎(chǔ)沉降,避免沉降不均勻而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)次內(nèi)力從而危及結(jié)構(gòu)及行車安全至關(guān)重要。設(shè)計時應(yīng)結(jié)合橋位處的地質(zhì)情況,對框構(gòu)及路基過渡段的地基采取控制沉降措施。關(guān)于框構(gòu)基礎(chǔ)沉降量控制值,規(guī)范中沒有明確規(guī)定,應(yīng)結(jié)合沉降對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響確定。

為了探討地質(zhì)條件和地基沉降的關(guān)系,對給定地基豎向地基系數(shù)C0分別為50、70、90、110、130、150、170、200 MPa/m3時框構(gòu)銳角區(qū)對角線連線方向的底板變形值進行計算分析。通過對上述各假定C0值計算結(jié)果分析得出,沿框構(gòu)對角線方向底板豎向變形值隨著C0值的增大而逐漸減小,框構(gòu)底板的豎向變形值沿對角線中點向兩側(cè)呈逐漸增大趨勢,C0值越小框構(gòu)中心與對角點的變形差值越大。以主力組合工況為例,各變形值相對關(guān)系如圖8所示。

圖8 豎向變形與框構(gòu)底板銳角區(qū)對角連線關(guān)系

為探討地質(zhì)條件對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,本文對給定地基豎向地基系數(shù)C0分別為50、110、200 MPa/m3時框構(gòu)進行了配筋計算,并進行同截面配筋對比,對比截面的位置如圖9所示。

圖9 配筋截面位置示意(單位：m)

通過對比得出C0值對框構(gòu)頂板上緣、邊墻內(nèi)緣配筋情況無影響,配筋對比情況見表2、表7。C0值對框構(gòu)頂板下緣、底板上下緣、邊墻外緣配筋影響較大,C0值越小,頂板下緣跨中范圍、底板上、下緣跨中范圍、邊墻外緣墻底范圍所需配筋截面面積越大,配筋對比情況見表3～表6；而框構(gòu)底板上、下緣邊墻支點范圍、邊墻外緣墻頂范圍所需配筋截面面積則隨C0值的增大而呈增加趨勢,配筋對比情況見表4～表6；C0值對頂板上緣邊墻支點范圍配筋未見影響,配筋對比情況見表4。

表2 頂板上緣配筋對比

表3 頂板下緣配筋對比

表4 底板上緣配筋對比

表5 底板下緣配筋對比

表6 邊墻外緣配筋對比

表7 邊墻內(nèi)緣配筋對比

因此,對于橋址處地質(zhì)較差的沉降不滿足要求的框構(gòu),應(yīng)進行地基處理。通常采用的地基處理方法有換填墊層法、水泥粉煤灰碎石樁法、水泥攪拌樁法、高壓噴射注漿法、灰土擠密樁法和土擠密樁法等,使用時應(yīng)根據(jù)荷載大小及使用要求結(jié)合地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、土質(zhì)條件、地下水特征、環(huán)境情況和對鄰近建筑的影響等因素進行綜合分析,確定處理方法。

3.4 框體受扭嚴(yán)重

框構(gòu)斜交角度小,框體受扭嚴(yán)重,易引起軌面不平順,如圖10、圖11所示。設(shè)計過程中采用下列標(biāo)準(zhǔn)對框構(gòu)主體扭曲變形進行控制,即：活載作用下梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面不平順,以1段3 m長的線路為基準(zhǔn),1線2根鋼軌的豎向相對變形量不應(yīng)大于1.5 mm。否則應(yīng)適當(dāng)加大結(jié)構(gòu)尺寸,以提高框構(gòu)整體剛度。本框構(gòu)通過計算得1線2根鋼軌的豎向相對變形量為0.8 mm,滿足要求。

圖10 頂板扭矩圖(單位：kN·m)

圖11 底板扭矩圖(單位：kN·m)

3.5 框構(gòu)主體混凝土裂縫控制

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜,為多種因素相互影響,但每條裂縫均有其產(chǎn)生的1種或幾種主要原因。一般認(rèn)為,混凝土結(jié)構(gòu)裂紋產(chǎn)生有設(shè)計因素和施工因素2個方面。

設(shè)計過程中一般采用增加構(gòu)造鋼筋的方法來提高框構(gòu)結(jié)構(gòu)的抗裂性。對有可能出現(xiàn)較大溫度應(yīng)力的部位,應(yīng)適當(dāng)增大構(gòu)造配筋。同時構(gòu)造配筋宜按照“細、密”的原則,即盡可能選用直徑小的鋼筋小間距布置。且在框構(gòu)橋的倒角處適當(dāng)加強構(gòu)造鋼筋的配置?？v向鋼筋數(shù)量配置不足是頂板產(chǎn)生順橋向裂縫的另外一個原因。同時設(shè)計時不應(yīng)忽略橫橋向(順公路線路垂直鐵路線路方向)強度的驗算,但不同工點的外荷載也不盡相同,應(yīng)根據(jù)具體的工程特點適當(dāng)考慮,避免由于橫向強度驗算的疏忽造成結(jié)構(gòu)的安全隱患。

施工時應(yīng)從原材料、澆筑、振搗、養(yǎng)護等方面對施工質(zhì)量進行嚴(yán)格控制,避免因施工因素而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

4 結(jié)論

(1)頂、底板鈍角區(qū)部分宜產(chǎn)生應(yīng)力集中,需增加鋼筋；

(2)斜交框架橋與路基連接處,部分枕木處于軟硬不均狀態(tài),對運營及養(yǎng)護不利,需設(shè)置路橋過渡塊；

(3)框架橋?qū)掗L比較大,容易產(chǎn)生不均勻沉降,宜設(shè)沉降縫；否則應(yīng)采取控制基礎(chǔ)沉降措施,以限制沉降對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力；

(4)框構(gòu)斜交角度小,框體受扭嚴(yán)重,應(yīng)對一線2根鋼軌的豎向相對變形量進行控制；

(5)加強對框構(gòu)主體縱、橫向配筋進行驗算,及增加構(gòu)造鋼筋,以解決由于設(shè)計因素導(dǎo)致的框構(gòu)主體混凝土裂縫。

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