無砟軌道單線預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)分析

張金芝

1 概述

孤山大橋?yàn)閮勺鶈尉€、無砟橋梁，橋高約55 m，左右線距離35 m。橋梁位于直線上，縱坡i=13.4‰。設(shè)計(jì)速度為客運(yùn)250 km/h，貨運(yùn)120 km/h。橋梁橋式采用(42.5+60+42.5)m的兩座單線、無砟預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋。為確保橋上軌道的高平順性和高穩(wěn)定性，以及列車運(yùn)行的安全性、舒適性，要求橋梁剛度大，變形小。全橋立面布置見圖1。采用斜腿先進(jìn)行豎向施工、而后轉(zhuǎn)體，依靠背索平衡進(jìn)行懸臂澆筑的施工工藝，這樣既最大限度的降低了施工對(duì)314省道的正常通行的影響，也避免了在大峽谷上搭設(shè)大跨度施工輔助支架的施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 全橋立面布置(單位:cm)

梁部采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，邊跨端部梁高3.0 m，中跨跨中梁高3.4 m，剛結(jié)處梁高4.65 m。梁高變化采用二次拋物線變化。頂板寬8.4 m，厚0.30 m;底板寬3.8 m，厚0.25～0.65 m;一般段腹板厚0.5 m，中支點(diǎn)處厚0.70 m。梁部橫斷面見圖2～圖4。

圖2 中跨中梁部截面(單位:cm)

圖3 邊跨端部梁部截面(單位:cm)

圖4 剛結(jié)處梁部截面(單位:cm)

斜腿采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部與梁部剛結(jié)、下部采用鉸接形式與基礎(chǔ)聯(lián)接。斜腿采用箱形截面，縱橋向由5.7 m變化至3.0 m;橫橋向底部2.0 m范圍寬6.6 m，自底部往上6.0 m以上橫橋向3.8 m，中間4.0 m范圍寬度線性變化。斜腿立面見圖5。

2 施工過程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

2.1 有限元模型的建立

采用有限元程序Midas/civil對(duì)施工全過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計(jì)算分析，計(jì)算模型見圖6。

2.2 施工階段劃分

根據(jù)斜腿剛構(gòu)橋?qū)嶋H施工過程，進(jìn)行全橋計(jì)算分析時(shí)共劃分了36個(gè)施工階段，主要施工步驟見圖7。

2.3 撓度計(jì)算

根據(jù)全橋計(jì)算結(jié)果，得出各階段撓度曲線見圖8。

圖5 斜腿截面(單位:cm)

圖6 空間計(jì)算模型示意

2.4 應(yīng)力計(jì)算

如圖9所示，截面1為斜腿與主梁固結(jié)處截面，截面2為斜腿跨中截面，截面3為邊跨跨中截面，截面4為中跨1/4截面，截面5為中跨跨中截面。選取成橋前后幾個(gè)工況，給出這5個(gè)典型截面的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖7 主要施工步驟

圖8 全橋各階段撓度曲線

表2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

圖9 應(yīng)力計(jì)算截面示意

計(jì)算結(jié)果表明，最大施工過程中主梁截面全截面受壓，斜腿截面最大應(yīng)力為4.5 MPa，滿足受力要求。

3 運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

3.1 有限元模型的建立

在前述施工階段模型的基礎(chǔ)上增加運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算分析，運(yùn)營(yíng)階段荷載組合為主力組合、主力+附加力組合，取最不利組合。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

主力作用下梁部?jī)?nèi)力及應(yīng)力見圖10～圖13，梁部截面上翼緣最大壓應(yīng)力為10.3 MPa，最小壓應(yīng)力為1.94 MPa，下翼緣最大壓應(yīng)力為15.69 MPa，最小壓應(yīng)力為1.87 MPa。

主力+附加力作用下梁部?jī)?nèi)力及應(yīng)力見圖14～圖17，梁部截面上翼緣最大壓應(yīng)力為11.89 MPa，最小壓應(yīng)力為1.42 MPa，下翼緣最大壓應(yīng)力為16.45 MPa，最小壓應(yīng)力為0.86 MPa。

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖10 彎矩包絡(luò)圖

圖11 剪力包絡(luò)圖

圖12 上緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖13 下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖14 彎矩包絡(luò)圖

圖15 剪力包絡(luò)圖

圖16 上緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖17 下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

剛度計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 剛度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語

90 m預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)體系為國內(nèi)客運(yùn)專線橋梁建設(shè)中首次采用，通過對(duì)斜腿剛構(gòu)施工過程及運(yùn)營(yíng)階段的受力分析，可見斜腿剛構(gòu)橋式上部結(jié)構(gòu)的受力行為介于連續(xù)剛構(gòu)橋式和拱橋之間，既有墩梁固接的效應(yīng)也有成拱的受力特點(diǎn)，傳力途徑明確、簡(jiǎn)潔，具有良好的動(dòng)靜載受力性能，結(jié)構(gòu)剛度好，能夠滿足鋪設(shè)無砟軌道的技術(shù)條件要求和客運(yùn)專線高速行車安全性和舒適性要求，具有較大的跨越能力，斜腿與基礎(chǔ)采用鉸接的方式較好地實(shí)現(xiàn)了永臨結(jié)合。

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