高填方段大跨度雙孔鐵路框架橋的力學(xué)性能

聶細鋒 劉志軍 黃樹強

（中鐵二院貴陽勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴陽 550002）

鋼筋混凝土框架橋廣泛運用于線路立交工程中，一般跨徑小于16 m，填方段高度不超過10 m。國內(nèi)對此類框架橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能已開展了較多的研究［1-5］，但對高填方交叉路口段設(shè)置框架橋且結(jié)構(gòu)凈空高度大于10 m的研究較少。

本文以一座市政道路下穿新建鐵路貨運線站場高填方段曲線雙孔框架橋為依托，通過分析其力學(xué)性能及影響因素，確定框架橋結(jié)構(gòu)的合理布置形式。

1 工程概況

新建鐵路甕安至馬場坪貨運線甕安車站與既有城市主干道交叉，車站上跨城市道路。交叉范圍內(nèi)設(shè)有7 股道，正線為第2 股道，其中第7 股道距正線間距為159 m，正線位于平坡、直線上。正線股道與城市道路交叉角度為54°，城市道路與車站交叉區(qū)域路線長約300 m，道路寬24 m，道路縱坡6%。交叉區(qū)域道路路面距鐵路軌面高差13～28 m。采用2×14.0 m 框架橋跨越道路。

因車站股道與城市道路斜交，框架橋平面布置可以采用斜交斜做或斜交正做2 種形式，斜交角度會影響方案布置。因站場填方最高處達30 m，可采用2 種方案：①頂板覆土厚度大，框身結(jié)構(gòu)高度低；②頂板覆土厚度小，框身結(jié)構(gòu)高度高。以填方高度最大處節(jié)段框架方案為研究對象，其凈高25.1 m，節(jié)段長10 m。橫斷面布置及擬定結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。圖中，H為框體高度；h1，h2分別為框體第1層、第2層凈高。

圖1 橫斷面布置及擬定結(jié)構(gòu)尺寸（單位：cm）

2 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立框架橋結(jié)構(gòu)有限元模型，全橋采用板單元模擬。底板與基礎(chǔ)之間的連接按文克爾假定理論進行模擬分析，采用受壓彈簧單元模擬，地基反力系數(shù)為20 MN/m3。

框架橋結(jié)構(gòu)參數(shù)及荷載取值如下：框身主體結(jié)構(gòu)采用C45 混凝土；恒載包括頂板覆土、道路路面結(jié)構(gòu)、道砟及軌道設(shè)備重量；考慮邊墻靜土壓力，混凝土收縮、徐變效應(yīng)。靜土壓力系數(shù)采用0.25 或0.35，取其不利者控制設(shè)計；活載包括列車活載（作用于頂板）、汽車活載（作用于底板）、活載土壓力；收縮荷載按降溫15 ℃考慮；頂板升降溫按5 ℃考慮。

上述荷載計算及組合均按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行［6-8］，其中邊墻兩側(cè)采用A組填料摻入水泥回填。

3 力學(xué)性能影響因素分析

3.1 中板設(shè)置

根據(jù)中板設(shè)置方案（表1）建立有限元模型，模型中H=27.8 m，框架正交，主力作用下不同中板設(shè)置位置框架橋構(gòu)件內(nèi)力見表2。靜土壓力作用下邊墻內(nèi)力見表3，靜土壓力系數(shù)為0.35。

由表2 可知：①設(shè)置中板可顯著減小頂?shù)装遄钚∝搹澗亍⑦厜φ搹澗丶凹袅?，說明設(shè)置中板可較好地改善框體結(jié)構(gòu)內(nèi)力。②設(shè)置2 道中板比設(shè)置1 道中板能減小邊墻最大正彎矩及剪力，但頂?shù)装鍍?nèi)力均增加較多，總體對框體結(jié)構(gòu)內(nèi)力并無改善。③方案2 比方案3頂板內(nèi)力稍大，邊墻最大正彎矩顯著減?。皇┕r方案3比方案2中板位置低，更便于支架施工。

表1 中板設(shè)置方案

表2 主力作用下不同中板設(shè)置位置框架橋構(gòu)件內(nèi)力

表3 靜土壓力作用下邊墻內(nèi)力

對比表2 和表3 可知：表3 方案1 邊墻最小彎矩及剪力與表2方案1邊墻對應(yīng)數(shù)值比值約為0.60，表3方案1 邊墻最大正彎矩與表2 方案1 邊墻對應(yīng)數(shù)值比值為0.96，可知靜土壓力占主力比值較大。設(shè)置中板后可有效減小邊墻靜土壓力工況下的內(nèi)力，正負彎矩減小幅值達50%以上。

由上述分析可知：選用方案2和方案3比方案1和方案4具有顯著優(yōu)勢，考慮施工方便宜選用方案3。

3.2 斜交角度

建立有限元模型研究斜交角度分別為0，15°，30°，45°時對框身構(gòu)件力學(xué)性能的影響，模型中H=27.8 m，中板位于邊墻中間，主力作用下不同斜交角度框架橋構(gòu)件內(nèi)力見表4。

表4 主力作用下不同斜交角度框架橋構(gòu)件內(nèi)力

由表4可知：隨著斜交角度的增大，框身內(nèi)力向鈍角處集中，使得內(nèi)力極值增大。當(dāng)斜交角度分別為15°，30°，45°時與斜交角度為0 時相比，頂板最大彎矩比值分別為1.14，1.50，1.83；剪力比值分別為1.23，1.45，1.94。這說明斜交角度超過15°時，框身內(nèi)力增長幅度較大，力學(xué)性能逐漸變差。

3.3 頂板覆土厚度

當(dāng)?shù)缆仿访嬷凌F路軌面距離一定時，邊墻高度及頂板覆土厚度可以采用不同組合形式，組合方案見表5。

表5 組合方案

框架正交，主力作用下不同頂板覆土厚度框架橋構(gòu)件內(nèi)力見表6?？芍弘S著頂板覆土厚度的增加，邊墻高度的降低，頂?shù)装鍍?nèi)力均增大，邊墻最大正彎矩減小。框身整體力學(xué)性能隨頂板覆土厚度增加而變差。

表6 主力作用下不同頂板覆土厚度框架橋構(gòu)件內(nèi)力

4 結(jié)論

1）從框身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及經(jīng)濟性能方面考慮，宜采用1 道中板，可設(shè)置在邊墻中部或下部。不設(shè)置中板會導(dǎo)致框身內(nèi)力顯著增大。為施工方便，中板可以設(shè)置在下部。

2）高填方段框架橋邊墻靜土壓力比普通框架橋增大較多，設(shè)置中板可以有效減小邊墻內(nèi)力。

3）框身斜交角度超過15°時，各構(gòu)件內(nèi)力增加較大，力學(xué)性能逐漸變差。

4）頂板覆土厚度較小、邊墻高度較高方案比頂板覆土厚度較大、邊墻高度較低方案框身整體力學(xué)性能更佳。