大跨度铁路框架桥涵结构设计浅析

(1.昆明铁路局工务处 云南昆明市塘双路，内蒙古 包头 650011；2.呼和浩特铁路局大包指挥部，内蒙古 呼和浩特 010010)摘 要：本文以大跨度的框架桥涵工程为实例，采用有限元软件对加大跨度的框架桥涵的力学行为进行了初步分析，进而探讨了其应用于实际的可能性。
关键词：大跨度；框架桥；力学行为
中图分类号：U448.13  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)04—0102—02
1 前言
      框架桥涵是解决道路交叉问题的适用方式之一，但是通常其跨度比较小，一般在8～10m左右。目前，跨度大于15m的框架桥还是不多见，在西南地区还没有具体的工程实例，其中很多较大跨度的框架桥涵在方案比选阶段就被否决了。本文针对较大跨度框架桥涵的方案设计进行有限元分析，初步了解其力学行为指标，探讨其进一步应用于实际的可能性，为以后的实际应用在分析方法上提供参考。
2 工程结构概况
      本框架桥涵采用钢筋混凝土结构，长4m，宽18.4m，高7.85m。在其顶面铺设0.9m厚碎石道渣。其两边均为既有箱桥，跨度分别是8.0m和8.6m。新框架桥与既有框架桥之间距离约为0.2m。箱涵沿顶板长度方向通行列车，底板沿垂直宽度方向通行汽车，下穿公路中线与铁路中线近似异面正交。整座框架桥建于已夯实的卵石土地基之上。
3 计算模型
      采用Midas/civil程序建立3－D模型进行计算。
3.1 对模型的几点说明
3.1.1 单元形式的选择。整个箱涵采用梁单元进行模拟，而并非采用板单元进行模拟，这主要考虑了箱涵四周均不同程度受弯，并且弯曲应力是设计的控制因素，用梁单元模拟能获取更加真实和稳定的数据，模拟效果好。
3.1.2 边界条件的选取。
3.1.2.1 在建模过程中，鉴于左右既有箱涵的存在，强化了新建框架桥的位移约束，即完成刚性过渡。因此，将箱涵左下角处采取固结，限制其在x，y，z三个方向的位移和转角；将箱涵右下角处采取活动铰支座连接，限制其在z方向的位移。
3.1.2.2 因为新建框架涵的两边均为既有箱涵，可以认为它们基本是稳定的，只是传递既有箱涵的台背土压力和活载土压力到新建框架之上，所以，在本框架涵的边墙施加分布荷载，以模拟土压力对整个结构的积极作用和消极作用（当列车行使于箱涵之上时，土压力对减小跨中挠度具有积极的作用，除此以外，土压力对结构受力基本是不利的）。
3.1.2.3 荷载作用下，箱涵底部受到反向土压力作用，根据弹性地基梁及其地下结构静力分析理论，假设以分布力的方式模拟土压力，分布力的大小取箱涵的边墙底部土压力的60%进行加载。
3.1.3 在采用midas/civil程序进行模拟的时候，考虑到变截面的存在，建模时采取了建立两排梁单元，中间用刚度极大的横隔梁连接，以保证两排梁单元共同受力。（中间横隔梁的受力不用关心）。
3.1.4 将混凝土的收缩、徐变也作为考虑因素，在模型计算中得到了体现。
3.1.5 对于所有施加在结构上的荷载，均考虑了其起动力效应,冲击系数根据《铁路桥涵设计基本规范(J460-2005)》规定的计算公式1+μ=1+α（6/（30+L））进行计算，取值为1.1。
3.2 计算参数
3.2.1 材料参数。①整个箱涵采用钢筋混凝土结构，混凝土设计标号为C30。经计算整座箱涵累计用混凝土211.6m³；②钢筋用螺纹钢和光圆钢筋，单位含钢量为180Kg/m³；③箱涵顶板铺设0.9m厚碎石道渣，其容重根据《铁路桥涵设计基本规范(J460-2005)》规定取为21KN/m³。   
3.2.2 车辆荷载。①按照《公路桥涵通用设计规范（JTG D60-2004）》规定，箱涵结构整体计算汽车荷载取公路－Ⅰ级对应的车道荷载；②按照目前的车道布置考虑4车道进行计算；③铁路荷载按中——荷载进行计算。
4 计算结果及其分析
4.1 竖向位移
      Clcb2组合（1.2×恒载+1.4×移动荷载）下，结构中下挠度较大的节点竖向位移见表1。
4.2 竖向位移分析结论
      由以上两种典型荷载组合作用下，结构表现出很大的一致性。箱涵顶部71节点和88节点（接近跨中）位移均为各节点中最大，前者达到8.61mm，后者达到7.71mm。显然前者是最不利荷载组合。可见，箱涵顶部距火车行车一端为9.2m处（也既是跨中）将出现最大位移。
4.3 应力
      因混凝土抗拉能力很差，所以只需分析计算箱涵在运营阶段，混凝土最大主拉应力，以确定混凝土是否开裂而退出工作。
4.3.1 Clcb2组合下，各单元中拥有较大主拉应力的单元及其中部截面主拉应力值列于表3中。
4.3.2 Clcb4组合下，各单元中拥有较大主拉应力的单元及其中部截面主拉应力值列于表4中，以供参考。
4.4 应力分析结论
      由以上计算结果可以看出：
      ①Clcb2组合和Clcb4组合下结构主拉应力值已经超过混凝土的抗拉强度，混凝土开裂，拉应力将全部由钢筋承担。因此，可以认为结构主拉应力值就是钢筋应力值；②这一应力值比钢筋的屈服极限小很多，钢筋不会发生屈服，同时结构主压应力小于混凝土抗压强度，混凝土也不会被压碎，所以整个结构将会具有较大的安全系数，检算通过；③建议在顶板增加预应力钢筋，增加构造配筋，防止混凝土开裂和控制顶板挠度。
5 结束语
      根据以上分析可以看出，大跨度桥涵在拟定的结构尺寸及荷载条件下，经加载计算分析，其内力及变形均可控制在规范允许范围内，因此在需采用大跨度桥涵实施的工程中，可结合实际工程的水文地质、环境条件、工程可行性，通过受力计算及工程施组论证，采用与本文跨度相似的桥涵，其对解决特定条件下的类似工程有可供借鉴作用。
［参考文献］
［1］ 张学仁.桥梁设计通用资料［M］.北京：中国铁道出版社，1994.
［2］ 中华人民共和国铁道部.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［M］.北京：中国铁道出版社，2005.
［3］ 中华人民共和国铁道部.铁路桥梁检定规范［S］.北京：中国铁道出版社，2004.

推荐访问:桥涵 浅析 结构设计 框架 铁路