高填方段大跨度鐵路框架橋力學(xué)性能

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摘要:高填方段大跨度鐵路框架橋比常規(guī)框架橋邊墻高、跨度大且需設(shè)置中板，力學(xué)性能更復(fù)雜。本文以貴州省新建鐵路甕安至馬場(chǎng)坪貨運(yùn)線(xiàn)甕安車(chē)站與既有城市主干道交叉處設(shè)置2×14.0m雙層雙孔框架立交橋?yàn)楸尘?，采用MIDAS/Civil軟件建立空間有限元模型對(duì)框架橋中板設(shè)置方式和數(shù)量、斜交角度、頂板覆土厚度等力學(xué)性能影響因素進(jìn)行數(shù)值分析，從而確定此類(lèi)型框架橋的合理布置形式。研究結(jié)果表明：在邊墻中部或下部設(shè)置1道中板可有效減小邊墻內(nèi)力；框身斜交角度超過(guò)15°時(shí)內(nèi)力增幅較大；采用較小頂板覆土厚度可有效改善框身整體力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞:鐵路橋梁；力學(xué)性能；數(shù)值分析；高填方段大跨框架橋；影響規(guī)律

鋼筋混凝土框架橋廣泛運(yùn)用于線(xiàn)路立交工程中，一般跨徑小于16m，填方段高度不超過(guò)10m。國(guó)內(nèi)對(duì)此類(lèi)框架橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能已開(kāi)展了較多的研究［1-5］，但對(duì)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10m的研究較少。本文以一座市政道路下穿新建鐵路貨運(yùn)線(xiàn)站場(chǎng)高填方段曲線(xiàn)雙孔框架橋?yàn)橐劳校ㄟ^(guò)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(chǎng)坪貨運(yùn)線(xiàn)甕安車(chē)站與既有城市主干道交叉，車(chē)站上跨城市道路。交叉范圍內(nèi)設(shè)有7股道，正線(xiàn)為第2股道，其中第7股道距正線(xiàn)間距為159m，正線(xiàn)位于平坡、直線(xiàn)上。正線(xiàn)股道與城市道路交叉角度為54°，城市道路與車(chē)站交叉區(qū)域路線(xiàn)長(zhǎng)約300m，道路寬24m，道路縱坡6%。交叉區(qū)域道路路面距鐵路軌面高差13～28m。采用2×14.0m框架橋跨越道路。因車(chē)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(huì)影響方案布置。因站場(chǎng)填方最高處達(dá)30m，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(duì)象，其凈高25.1m，節(jié)段長(zhǎng)10m。橫斷面布置及擬定結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)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。

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(jìn)行模擬分析，采用受壓彈簧單元模擬，地基反力系數(shù)為20MN/m3?？蚣軜蚪Y(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(jì)；活載包括列車(chē)活載（作用于頂板）、汽車(chē)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(jì)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=27.8m，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(jiàn)表2。靜土壓力作用下邊墻內(nèi)力見(jiàn)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∝?fù)彎矩、邊墻正負(fù)彎矩及剪力，說(shuō)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(duì)框體結(jié)構(gòu)內(nèi)力并無(wú)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小；施工時(shí)方案3比方案2中板位置低，更便于支架施工。對(duì)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(duì)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(duì)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(fù)彎矩減小幅值達(dá)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(shì)，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(shí)對(duì)框身構(gòu)件力學(xué)性能的影響，模型中H=27.8m，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(jiàn)表4。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(shí)與斜交角度為0時(shí)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(shuō)明斜交角度超過(guò)15°時(shí)，框身內(nèi)力增長(zhǎng)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(shí)，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(jiàn)表5。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(jiàn)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?？蛏碚w力學(xué)性能隨頂板覆土厚度增加而變差。

4結(jié)論

1）從框身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)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(huì)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(guò)15°時(shí)，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。

參考文獻(xiàn)

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作者：聶細(xì)鋒 劉志軍 黃樹(shù)強(qiáng) 單位：中鐵二院貴陽(yáng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司