景斌
(锦州铁道勘察设计院有限公司,辽宁锦州 121000)
铁路斜交刚架桥设计与分析
景斌
(锦州铁道勘察设计院有限公司,辽宁锦州 121000)
通过斜交刚架桥的设计,介绍斜交刚架桥的设计原则和技术参数的选用,采用空间有限元分析方法,对结构进行计算分析,为类似工程设计提供设计参考。
铁路 刚架桥 设计
随着铁路工程的发展，铁路与道路、沟渠交叉情况越来越复杂。特别是受j结构高度限制的立交及斜交沟渠，采用斜交刚架结构可以很好的满足工程功能需要，并较大的节约工程造价。本文通过对铁路斜交框架桥设计过程介绍，总结本类桥梁设计过程中的设计原则及注意事项，为类似工程提供设计参考。
1 工程实例
东北地区某新建双线铁路，与既有沟渠斜交75度，施工期间沟渠不能中断，受其它因素影响，最终采用1-20m斜交刚架桥跨越，较好的满足了工程需要。
主要技术标准如下：
(1)线路等级：国铁I级；设计速度：160km/h；直线，线间距5．0m。
(2)荷载：中-活载。二期恒载160KN/m(双线)。
桥址范围内，表层为粗角砾土，之下为石英砂岩。地震基本烈度8度，动峰值加速度0．2g。
场地类别为II类，最大冻结深度1．5m。
本桥采用钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C45，顶板厚1．20m，侧墙厚1．20m。侧墙与顶板相交处采用加腋构造，桥宽13．0m。2．5m宽2．0m高承台，承台下设单排端承桩，桩径2．0m，桩间距2．5m。
2 结构模型
图1
表1
2.1 模型介绍
采用空间有限元程序MIDAS软件建立上部结构模型，顶板、侧墙及承台采用板单元模拟，桩基采用梁单元模拟。按照《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10002．5-2005)附录D的方法，按节点弹性支承模拟桩基的侧向边界条件，桩基基底按固结考虑，将桩基模拟到实际模型中。
整体模型如图1：
2.2 荷载组合
设计按以下组合检算结构作用：
荷载组合(恒载包括：自重、二期恒载、收缩、徐变、基础变位)
(1)主力组合：恒载＋活载＋横向摇摆力。
(2)主力＋纵向附加力组合：主力＋制动力＋温度荷载。
(3)多遇地震力组合(特殊荷载)：恒载＋列车竖向静活载＋多遇地震作用＋50%静荷载横向效应。
(4)罕遇地震力组合(特殊荷载)：恒载＋列车竖向静活载＋罕遇地震作用＋50%静荷载横向效应。
结构温度影响按整体升温按+25℃，整体降温按-25℃计算。桥面板非线性温度变化按顶板升温10℃考虑，并考虑非线性温度负效应。混凝土收缩按降温15℃考虑。
单侧基础不均匀沉降按5mm考虑。
3 计算过程
3.1 侧墙基础桩基设计
根据本桥地质情况，初步拟定为端承桩，桩长为10m，桩径2．0m，桩间距2．5m。按此情况将桩基情况模拟进模型。
计算得桩基反力及内力，并对此桩基检算是否满足要求。若不满足，则对桩基布置进行修改，并从新计算，直至满足要求。
3.2 上部结构内力分析
根据刚架桥的受力特性，选取以下截面检算结构内力：
顶板检算截面为：顶板角偶处截面；顶板厚度变化处截面；跨中截面。
侧墙检算截面为：侧墙角偶处截面；侧墙底截面进行检算。
根据模型计算，内力云图如图2：
图2
由图可以看出，顶板最大正弯矩出现在跨中，最大负弯矩出现在角偶区域。根据内力的分布情况，与线路方向垂直断面内力大小较为一致，钝角处内力较其他位置偏大。
侧墙下端内力较为一致，侧墙上端则与顶板钝角对应位置内力较大。
故在配筋计算时钝角位置宜进行局部加强处理。
3.3 上部结构变形分析
根据规范，钢筋混凝土结构截面刚度按0．8倍EI计算。在列车竖向静活载、温度力作用下的跨中竖向挠度为最大值为7．176mm＜L/ 1400=15．6mm，满足规范设计要求。
由计算模型得主梁最大竖向位移16．376mm。根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》当由恒载及静活载引起的竖向挠度等于或小于15mm或跨度的1/1600时，可不设预拱度。
故本桥需要设置预拱度，跨中处的预拱度(上拱)为：
恒载+1/2静活载=11．716+2．33=14．046mm。
边墙顶预拱度为0，之间按二次抛物线过渡。
通过计算侧墙顶及基础顶刚度如表1：
满足规范设计要求。
3.4 地震力分析
框架桥为整体结构，抗震性能较好，抗震薄弱位置为侧墙底部，在设计计算中需要对其进行抗震设计。
4 设计注意事项
(1)斜交刚架桥的受力较为复杂，不同于框架桥及梁式桥，对基础情况的模拟尤为重要，不同的基础情况，不仅关系的基础自身的内力计算，而且会对顶板及侧墙的受力产生影响。
(2)斜交刚架桥钝角区域内力较大，且斜交角度越大，增大值越大。故在配筋计算时必须对相应区域进行加强。
5 结语
(1)斜交刚架桥可以有效的满足特殊情况下的功能需求，对既有道路或沟渠影响较小。并且造价相对较低，有较好的应用前景。
(2)设计过程中的难点在于基础边界条件的拟定，可根据实际地质情况设置适宜的基础形式。并可选用不同的基础刚度对结构内力进行包络计算，增大设计安全系数。
[1]《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB1000 2.3-2005).
[2]《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005).
[3]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社.2001.
[4]杜振华.沈轶勇.斜交刚构桥的空间有限元分析[J].铁道勘测与设计.2011.04.
