刚度在框架墩计算中的影响

万 明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300142)

1 概述

在铁路建设中,由于既有道路和地下管线的复杂性,在相交平面上和新建铁路发生冲突的问题也随之增多。和大跨结构相比,框架墩结构以其布置灵活、工期短、经济性好的特点得到了广泛的应用。本文将着重介绍刚度在框架墩结构计算中的影响。

2 分析要点

框架墩结构尺寸的确定,除了考虑建筑限界的限制,还应重点考虑横梁和墩柱的刚度匹配关系。总的来说,希望横梁的刚度要大(荷载引起的变形小),墩柱的刚度要小(由于不设系梁,墩柱对温度力和收缩徐变荷载非常敏感)。

现以津秦客运专线某一跨度为10.9 m的钢筋混凝土框架墩为例，说明某种荷载组合对横梁刚度的敏感程度,如表1所示。

由表1可知,横梁的刚度对弯矩的影响比较大。

框架墩由于本身刚度相对较大且为超静定结构,很小的不均匀沉降往往会使结构的内力显著增加。因此,为了控制沉降,工程上采用沉降量较小的柱桩或摩擦桩。仍以上面例子来说明某种荷载组合对不均匀沉降的敏感程度,如表2所示。

表1 横梁刚度影响下的结构内力变化

表2 不均匀沉降影响下的结构内力变化

大跨度框架墩对基础的约束模拟非常敏感,模拟约束较强时,横梁设计不安全,同时使立柱和基础的设计较为困难；模拟约束较实际弱时,使横梁设计困难,而立柱和基础设计不安全[1]。实际计算中为了克服此种影响,往往利用经过迭代计算的一倍基础刚度控制横梁的变形,两倍或三倍基础刚度控制墩柱的配筋。表3分别比较了基础在固结、实际计算刚度、三倍计算刚度时结构的内力变化。

由表3可知,横梁的跨中弯矩随着基础刚度的增加而减小,而对于墩柱来说，弯矩随着基础刚度的增加而增加。图1～图3分别表现了随着基础刚度的变化,结构最大正负弯矩的位置变化情况。

表3 基础刚度影响下的结构内力变化

图1 一倍基础刚度

图2 三倍基础刚度

图3 基础固结

在计算中准确的模拟桩基础的计算刚度有两种方法。第一种为等代土弹簧法,其基本方法是将桩一地基体系按土层厚度离散成一个理想化的参数系统,用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质,形成一个地下部分的多质点体系,然后和上部结构近质点体系联合建立动力微分方程组进行求解[2]。第二种方法则根据经验假设一个基础刚度,然后利用单位力法重新求解出一个新的基础刚度,考察其是否与计算模型吻合。如不吻合,则利用新计算出来的基础刚度再次进行计算,直到满意为止。

3 结论

框架墩结构横梁和墩柱的刚度对结构的内力计算有非常大的影响,在计算中需合理调整横梁和墩柱的刚度比,根据多次计算可知,铁路桥梁一般比例控制在1∶1.5到1∶2之间比较合适。

因基础的刚度对结构计算的影响比较大,所以应准确的模拟。在计算中先假设一个刚度,然后反复计算迭代,直到求解出较准确刚度。

[1]田万俊.预应力混凝土框架墩设计研究[J].铁道标准设计,2003(8)

[2]范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社,1997