高填方段大跨度鐵路框架橋力學性能

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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、跨度大且需設置中板，力學性能更復雜。本文以貴州省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處設置2×14.0m雙層雙孔框架立交橋為背景，采用MIDAS/Civil軟件建立空間有限元模型對框架橋中板設置方式和數(shù)量、斜交角度、頂板覆土厚度等力學性能影響因素進行數(shù)值分析，從而確定此類型框架橋的合理布置形式。研究結果表明：在邊墻中部或下部設置1道中板可有效減小邊墻內力；框身斜交角度超過15°時內力增幅較大；采用較小頂板覆土厚度可有效改善框身整體力學性能。

關鍵詞:鐵路橋梁；力學性能；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用于線路立交工程中，一般跨徑小于16m，填方段高度不超過10m。國內對此類框架橋結構力學性能已開展了較多的研究［1-5］，但對高填方交叉路口段設置框架橋且結構凈空高度大于10m的研究較少。本文以一座市政道路下穿新建鐵路貨運線站場高填方段曲線雙孔框架橋為依托，通過分析其力學性能及影響因素，確定框架橋結構的合理布置形式。

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。交叉范圍內設有7股道，正線為第2股道，其中第7股道距正線間距為159m，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30m，可采用2種方案：①頂板覆土厚度大，框身結構高度低；②頂板覆土厚度小，框身結構高度高。以填方高度最大處節(jié)段框架方案為研究對象，其凈高25.1m，節(jié)段長10m。橫斷面布置及擬定結構尺寸見圖1。圖中，H為框體高度；h1，h2分別為框體第1層、第2層凈高。

2有限元模型

采用MIDAS/Civil建立框架橋結構有限元模型，全橋采用板單元模擬。底板與基礎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20MN/m3?？蚣軜蚪Y構參數(shù)及荷載取值如下：框身主體結構采用C45混凝土；恒載包括頂板覆土、道路路面結構、道砟及軌道設備重量；考慮邊墻靜土壓力，混凝土收縮、徐變效應。靜土壓力系數(shù)采用0.25或0.35，取其不利者控制設計；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規(guī)范執(zhí)行［6-8］，其中邊墻兩側采用A組填料摻入水泥回填。

3力學性能影響因素分析

3.1中板設置

根據(jù)中板設置方案（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置位置框架橋構件內力見表2。靜土壓力作用下邊墻內力見表3，靜土壓力系數(shù)為0.35。由表2可知：①設置中板可顯著減小頂?shù)装遄钚∝搹澗亍⑦厜φ搹澗丶凹袅?，說明設置中板可較好地改善框體結構內力。②設置2道中板比設置1道中板能減小邊墻最大正彎矩及剪力，但頂?shù)装鍍攘黾虞^多，總體對框體結構內力并無改善。③方案2比方案3頂板內力稍大，邊墻最大正彎矩顯著減小；施工時方案3比方案2中板位置低，更便于支架施工。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邊墻對應數(shù)值比值為0.96，可知靜土壓力占主力比值較大。設置中板后可有效減小邊墻靜土壓力工況下的內力，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°時對框身構件力學性能的影響，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件內力見表4。由表4可知：隨著斜交角度的增大，框身內力向鈍角處集中，使得內力極值增大。當斜交角度分別為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，框身內力增長幅度較大，力學性能逐漸變差。

3.3頂板覆土厚度

當?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?？蚣苷唬髁ψ饔孟虏煌敯甯餐梁穸瓤蚣軜驑嫾攘σ姳??？芍弘S著頂板覆土厚度的增加，邊墻高度的降低，頂?shù)装鍍攘龃?，邊墻最大正彎矩減小?？蛏碚w力學性能隨頂板覆土厚度增加而變差。

4結論

1）從框身結構力學性能及經(jīng)濟性能方面考慮，宜采用1道中板，可設置在邊墻中部或下部。不設置中板會導致框身內力顯著增大。為施工方便，中板可以設置在下部。2）高填方段框架橋邊墻靜土壓力比普通框架橋增大較多，設置中板可以有效減小邊墻內力。3）框身斜交角度超過15°時，各構件內力增加較大，力學性能逐漸變差。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性能更佳。

參考文獻

［1］朱爾玉，王恒棟，謝玲.框架式地道橋設計理論與應用［M］.北京：北京交通出版社，2017.

［2］陳旭.斜交框架橋受力分析及配筋設計的研究［D］.北京：北方工業(yè)大學，2012.

［3］衛(wèi)星，強士中.鐵路斜交框架立交橋的空間分析［J］.鐵道建筑，2004，44（5）：3-4.

［4］李慧君，陳建峰.斜交框架橋的有限元分析［J］.鐵道工程學報，2007，24（2）：58-60.

［5］周家新.下穿鐵路斜交框架橋的空間結構分析［J］.鐵道建筑，2005，45（7）：31-33.

［6］國家鐵路局.鐵路橋涵設計規(guī)范：TB10002—2017［S］.北京：中國鐵道出版社，2017.

［7］國家鐵路局.鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范：TB10092—2017［S］.北京：中國鐵道出版社，2017.

［8］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.城市橋梁設計規(guī)范：CJJ11—2011［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

作者：聶細鋒 劉志軍 黃樹強 單位：中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司