簡支道岔梁設(shè)計

朱先意

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 工程概況

該橋是某鐵路工程新建的一座特大橋，為雙線橋變四線橋。最寬的一孔道岔梁采用10片簡支T梁，橋面寬20.7 m，梁長24.6 m。道岔梁上橫向設(shè)置10個支座，支座均位于各T梁腹板中心位置。

2 設(shè)計原則

結(jié)構(gòu)形式:橋梁計算跨度為24 m，全長24.6 m，梁高2.5 m，軌底至梁底建筑高度為3.2 m;中梁頂寬1.7 m，邊梁頂寬2.2 m，下緣寬均為0.98 m。

道岔布設(shè)要求:道岔設(shè)在簡支梁上時，應(yīng)滿足道岔活動部分(尖軌、心軌)不跨越梁縫，且應(yīng)盡量遠(yuǎn)離梁縫，尖軌和心軌尖端距梁端距離均不小于2.5 m。橋面橫向應(yīng)為整體式結(jié)構(gòu)，即道岔側(cè)股不應(yīng)跨越縱向梁縫。橋梁橫向布置如圖1所示。

2.1 設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

全線標(biāo)準(zhǔn):設(shè)計時速120 km的重載鐵路，雙線有砟軌道，設(shè)計活載“中－活載(2005)之ZH活載”。地震基本烈度為6度。

圖1 橋梁橫向布置(單位:mm)

2.2 材料及主要參數(shù)

(1)混凝土

采用 C55混凝土，E=3.6e4 MPa，偏心受壓［σb］=16.8 MPa。

(2)鋼絞線

縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，公稱面積140 mm2，執(zhí)行GB/T5224—2003標(biāo)準(zhǔn)。

3 整體模型計算

3.1 Midas梁格劃分

采用空間梁格法對多片道岔T梁進(jìn)行分拆。梁格劃分時，沿腹板中心線將梁部結(jié)構(gòu)劃分為10個縱梁，縱梁的慣性矩按繞上部結(jié)構(gòu)主軸計算。取跨中代表區(qū)域內(nèi)的箱梁剛度，分別計算縱梁的扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度及剪切面積。

3.2 Midas梁格模型

梁格分拆的有限元模型和消隱的實體如圖2所示。10根縱梁間利用間距為4.0 m的橫隔梁連接，橫隔梁剛度計算中采用細(xì)腹板連接的兩矩形實體截面模擬。

圖2 整體有限元模型

3.3 計算結(jié)果

(1)結(jié)構(gòu)自振頻率

自振頻率限值按照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)第5.1.3條預(yù)應(yīng)力混凝土梁執(zhí)行。道岔梁的計算自振頻率如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)動力特性

計算跨徑為24 m的簡支梁，豎向自振頻率限值為n0=23.2=23.58×24－0.592=3.593 Hz，豎向自振頻率滿足設(shè)計要求。

(2)結(jié)構(gòu)變形及剛度

梁體的豎向撓度計算采用中—活載(2005)之ZH活載，四線橋取1線與2線、1線與3線、2線與4線、道岔與4線、1線與2線及3線活載的最大值，豎向撓度計算最不利結(jié)果為2線與4線的活載組合。計算撓跨比結(jié)果為1/4 214，滿足豎向撓跨比限值1/3 300。

在中—活載(2005)之ZH活載作用下，最大梁端轉(zhuǎn)角為2線和4線組合下活載，最大向下轉(zhuǎn)角0.705×10－3rad，最大向上轉(zhuǎn)角 0.682×10－3rad，滿足“在活載作用下，梁端豎向折角不應(yīng)大于1.5‰”的設(shè)計要求。

在列車橫向搖擺力、風(fēng)力和溫度的作用下，梁體的水平撓度為0.126 mm，撓跨比則為1/190 476，主橋橫向剛度滿足“梁體的水平撓度應(yīng)不大于梁體計算跨度的1/4 000”的設(shè)計要求。

(3)運營荷載下混凝土應(yīng)力

根據(jù)《鐵路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—2005)第 6.3.10、6.3.11條的要求，混凝土構(gòu)件的正截面混凝土的應(yīng)力及斜截面混凝土的主拉應(yīng)力應(yīng)滿足如下要求。

壓應(yīng)力:σc≤0.5fc=0.5×37.0=18.5 MPa

主拉應(yīng)力:σct≤0.7fct=0.7×3.3=2.31 MPa

縱梁采用PSC截面，計算的運營荷載下各截面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和主應(yīng)力如表2所示。

表2 主梁設(shè)計應(yīng)力 MPa

(4)支反力

各支座反力見圖3。各工況最大、最小反力見表3。

圖3 主力組合支點反力

表3 各工況支點反力kN

4 縱向計算

4.1 模型介紹

本橋為單跨24 m簡支道岔梁，采用西南交通大學(xué)橋梁分析軟件BSAS計算，模型如圖4所示。

4.2 主要計算成果

圖4 縱向計算

表4 截面應(yīng)力 MPa

運營階段截面應(yīng)力如表4所示。應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3－2005)第6.4.13、6.4.14條的要求。

運營階段截面強度如表5所示。

5 橫向設(shè)計及計算結(jié)果

5.1 橫向模型介紹

表5 截面強度

(1)主梁變形及剛度驗算

活載作用下的撓度值:

靜活載作用下最大撓度值－5.97 mm(向上變形為“+”，向下變形為“－”)，為跨度的1/4 020.1(小于1/3 300)，比整體模型計算結(jié)果1/4 214稍大，結(jié)構(gòu)安全。

恒載撓度值及預(yù)拱度設(shè)置:

恒載作用下引起的最大撓度值9.63 mm(向上變形為“+”，向下變形為“－”)，靜活載引起的豎向撓度為－5.97 mm。預(yù)拱度按(恒載+1/2活載)撓度值反向設(shè)置，理論計算跨中預(yù)拱度值為6.645 mm(向下)，其他位置按二次拋物線過渡。

(2)梁端豎向折角和工后徐變

在活載作用下，梁端豎向折角為0.793‰ ＜1.0‰(rad)。

本設(shè)計二期恒載上橋時間按預(yù)加應(yīng)力后90天計算，理論計算殘余徐變拱度值為2.61 mm，小于限值20 mm，滿足要求。

(3)施工階段溫度組合檢算結(jié)果

施工階段混凝土應(yīng)力驗算根據(jù)橋規(guī) TB10002.3—2005的第6.4.4條進(jìn)行，本橋張拉預(yù)應(yīng)力時混凝土強度已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強度的100%，故壓應(yīng)力允許值0.75fck

'=0.75×1.00×37.0=27.75 MPa，拉應(yīng)力允許值0.70ftk

'=0.70×1.00×3.30=2.31 MPa。從計算結(jié)果可見，施工階段混凝土未產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為11.26 MPa＜27.75 MPa，滿足規(guī)范要求。

(4)架橋機(jī)運架梁檢算結(jié)果

架橋機(jī)運梁階段滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)

按不同頂板與腹板厚度分類，順橋向取單位長度的主梁梁體，簡化成框架，模型單元采用梁單元，邊界條件為在各腹板中心線處簡支。

根據(jù)分析，跨中截面最為不利，截面左右對稱，取其左半部對其分析。懸臂端部厚0.32 m，懸臂根部厚0.42 m，腹板厚度為0.36 m，縱向長度取1.0 m。

縱向取1 m梁段，按照支撐設(shè)在腹板底端的橫向框架為結(jié)構(gòu)模型，采用橋梁結(jié)構(gòu)專用有限元程序進(jìn)行計算。橫向共71個節(jié)點，70個單元，單元劃分見圖5。

圖5 單元離散圖

5.2 橫向荷載分布

采用以下組合進(jìn)行控制截面處的應(yīng)力檢算。

組合1:自重+二期恒載+收縮徐變+列車荷載;

組合2:自重+二期恒載+收縮徐變+脫軌荷載2(向左脫軌);

組合3:自重+二期恒載+收縮徐變+脫軌荷載2(向右脫軌)。

5.3 截面檢算

截面橫向受力分別按圖6取控制截面處進(jìn)行，按規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力和裂縫檢算。

圖6 單元離散圖

根據(jù)受力特點用受彎構(gòu)件進(jìn)行檢算。

經(jīng)計算最不利荷載組合下的檢算結(jié)果為荷載組合3，如表6所示。

通過以上結(jié)果可知，主梁在最不利組合下的各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

表6 檢算結(jié)果

6 結(jié)束語

通過對10片道岔區(qū)T梁的整體有限元分析與采用梁單元的縱向分析的撓度指標(biāo)相比較，梁單元程序計算的撓度值略大于整體有限元的計算結(jié)果，采用梁單元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行強度應(yīng)力分析偏于安全。

本梁的設(shè)計滿足了站場道岔軌道布置，為簡支橋梁上設(shè)置道岔提供了實例，具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會效應(yīng)，對類似道岔梁設(shè)計提供了參考。

［1］ TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］

［2］ TB 10002.5—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］

［3］ GB 50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范［S］

［4］ TB 10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范［S］

［5］ 王斌．京滬高速鐵路高架車站道岔區(qū)橋梁設(shè)計［J］．交通科技，2008(1)

［6］ 蔡云標(biāo)．客運專線無縫道岔梁幾個設(shè)計問題的探討［J］．內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2011(10)

［7］ 郭志勇．客運專線橋上無縫線路道岔的設(shè)計［J］．鐵道建筑，2007(7)

［8］ 王平．道岔區(qū)輪軌系統(tǒng)動力學(xué)的研究［D］．成都:西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，1997

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［10］楊榮山，劉學(xué)毅，王平．簡支梁橋上無縫道岔縱向力影響因素研究［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報，2008，43(10):666-672