城際鐵路簡(jiǎn)支箱梁腹板間距優(yōu)化研究

董 艷 彪

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000)

1 概述

雙線單箱單室截面形式梁體的橫向剛度很大，橫向剛度不控制設(shè)計(jì)，箱寬的取值主要是根據(jù)箱體本身的受力情況而定。當(dāng)腹板中心線與線路中心線重合時(shí)梁體腹板受力最均勻，當(dāng)橋面較寬時(shí)會(huì)造成梁體外懸臂較大，對(duì)受力不利，箱室跨度的選擇應(yīng)兼顧腹板間距和懸臂長(zhǎng)度。腹板間距設(shè)置的合理性直接影響整個(gè)橋梁的橫向剛度和頂板腹板的受力性能，導(dǎo)致鋼筋的用量和板厚度的變化[1]。

本文選取時(shí)速200 km無(wú)砟梁為研究對(duì)象，確定合理的腹板間距范圍。腹板間距分如下幾種情況進(jìn)行對(duì)比分析：

方案一：腹板間距4.1 m；方案二：腹板間距4.6 m；方案三：腹板間距5.1 m；方案四：腹板間距5.6 m；方案五：腹板間距6.1 m；方案六：腹板間距6.6 m；方案七：腹板間距7.1 m。

內(nèi)力計(jì)算采用如下三種荷載組合：

組合一：恒載(自重+橋面荷載)；組合二：恒載+活載；組合三：恒載+偏活載。

2 橋梁構(gòu)造及荷載形式

2.1 橋面布置

根據(jù)城際鐵路橋梁的最小橋面寬度要求，并考慮曲線影響和接觸網(wǎng)立柱，滿足鐵路行車安全和舒適度的要求，箱梁橋面布置如圖1所示。

2.2 荷載計(jì)算

城際鐵路無(wú)砟箱梁二期恒載如表1所示。

表1 無(wú)砟箱梁二期恒載

列車活載按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中規(guī)定的ZC標(biāo)準(zhǔn)荷載形式施加[2]。

2.3 主要截面尺寸

箱梁跨中及梁端截面尺寸如圖2,圖3所示。

3 研究方法及有限元模型建立

有限單元法是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間力學(xué)分析最有效的數(shù)值分析方法之一，在箱形梁的空間有限元計(jì)算中，常用的單元類型主要有“梁?jiǎn)卧薄皦K體單元”及“板殼單元”[3]。現(xiàn)運(yùn)用大型通用軟件MIDAS civil，采用梁?jiǎn)卧謩e建立腹板間距為4.1 m，4.6 m，5.1 m，5.6 m，6.1 m，6.6 m，7.1 m箱梁閉合框架模型。求解在三種荷載組合作用下，腹板間距對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。確定使結(jié)構(gòu)受力較合理，且使鋼筋用量最省，鋼筋利用率最高的合理腹板間距。

采用梁?jiǎn)卧謩e建立腹板間距為4.1 m，4.6 m，5.1 m，5.6 m，6.1 m，6.6 m，7.1 m箱梁閉合框架模型。梁體縱向取單位長(zhǎng)度1 m，邊界條件采用實(shí)際簡(jiǎn)支梁邊界條件，梁底一側(cè)采用固定鉸支座，另一側(cè)采用活動(dòng)鉸支座。荷載嚴(yán)格按照第二節(jié)中所述荷載布置形式施加。有限元模型如圖4所示。

4 不同荷載組合下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

從MIDAS civil中分別提取在各荷載組合下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行計(jì)算點(diǎn)內(nèi)力比較分析，各計(jì)算點(diǎn)分布如圖5所示。

4.1 恒載(自重+橋面荷載)作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

從MIDAS civil中提取恒載(自重+橋面荷載)作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 恒載(自重+橋面荷載)作用下內(nèi)力比較

4.2 恒載+活載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

從MIDAS civil中提取恒載+活載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3 恒載+活載作用下內(nèi)力比較

4.3 恒載+偏活載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

從MIDAS civil中提取恒載+偏活載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，如表4所示。

表4 恒載+偏活載作用下內(nèi)力比較

5 結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比

將三種荷載組合作用下結(jié)構(gòu)各計(jì)算位置處的最大彎矩值匯總于表5，進(jìn)行最大彎矩值比較。為更加清晰表示腹板間距變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響，將比較結(jié)果繪制于折線圖6。

表5 三種荷載組合作用下最大內(nèi)力比較

由以上分析可知，懸臂板端最大彎矩值隨腹板間距的增大逐漸減小，且變化較為明顯；頂板端最大彎矩值隨腹板間距的增大而逐漸增大，變化較為顯著；腹板頂最大彎矩值隨腹板間距的增大呈先減小后增大趨勢(shì)，且變化較明顯；腹板底最大彎矩值隨腹板間距增大逐漸增大，變化較為緩慢；頂板跨中最大彎矩值隨腹板間距的增大先減小后增大，變化趨勢(shì)較明顯；底板跨中最大彎矩值受腹板間距變化影響較小，腹板間距由4.1 m增加至7.1 m，底板跨中最大彎矩基本不變。

由圖6可知，在腹板間距約為4.85 m時(shí)，懸臂板與頂板最大彎矩值相同，由于在梁體構(gòu)造上頂板最大厚度與懸臂板最大厚度值基本相同，相同彎矩作用下所需鋼筋配置量基本相等，故腹板間距約為4.85 m時(shí)懸臂板與頂板所需橫向鋼筋量基本相等，可在懸臂板、頂板配置橫向通長(zhǎng)鋼筋，可充分發(fā)揮鋼筋作用，避免了鋼筋浪費(fèi)。 同時(shí)，在腹板間距約為4.85m時(shí)，腹板最大彎矩較小，所需鋼筋量較少，可節(jié)省鋼筋用量。由上述分析可知，梁寬為10.6m時(shí)，腹板間距的合理范圍為4.6m～5.1m。

6 結(jié)語(yǔ)

1)腹板間距變化對(duì)懸臂板端、頂板端、腹板頂、頂板跨中內(nèi)力狀態(tài)影響較為明顯；對(duì)腹板底、底板跨中內(nèi)力狀態(tài)影響較小。

2)梁寬10.6 m城際鐵路簡(jiǎn)支箱梁，腹板間距約為4.85 m時(shí)，腹板最大彎矩較小，所需鋼筋量較少，可節(jié)省鋼筋用量。腹板間距的合理范圍為4.6 m～5.1 m。