铁路连续箱梁横向计算分析

董素东

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000)

在铁路桥梁设计中，若简支梁无法跨越障碍时，通常采用预应力混凝土连续梁方案跨越，连续梁常采用单箱单室箱形截面结构形式。对于连续梁的计算，鉴于空间分析过程中建模复杂、数据量庞大、不便于修改，故设计人员常常采用平面杆系有限元法对结构进行计算分析，纵向通常采用全预应力理论设计。由于桥梁本身为空间结构，当采用了平面杆系计算分析后，所得到的计算结果只是桥梁纵向的分析计算结果，作用在箱梁上的荷载有恒载和活载，恒载多数是对称布置的，一般只在结构上产生纵向弯曲。当桥梁为多线桥时，活载可能是对称作用，但多数情况是非对称的偏心荷载，偏载对结构产生的空间效应必须予以重视，故还要对桥梁横向进行单独的分析计算，以保证桥梁横向的刚度、强度和稳定性。本文以工程实例为研究对象，对其横向受力分析计算，通过对结果的比较，得出结论，并对结构采取相关措施。

1 工程实例

青藏线西格段增建二线响河村湟水河大桥主桥采用(64+112+64)m预应力混凝土连续梁，该线设计时速为160 km/h，该连续梁桥为双线桥，线间距为4.33 m。梁体为单箱单室变高度直腹板箱形截面，主墩墩顶处梁高为8.8 m，中跨跨中及边跨直线段梁高为5.0 m，梁底曲线为二次抛物线。箱梁顶宽11.2 m，单侧悬臂长2.25 m，箱梁底宽6.7 m。腹板厚度由箱梁根部的90 cm渐变至跨中附近梁段的50 cm;底板在箱梁根部厚100 cm，渐变至跨中及边跨直线段厚48 cm;顶板最薄处厚40 cm，箱梁在支点及跨中处设有横隔梁。箱梁纵断面见图1，箱梁跨中附近(不在横隔梁处)的横断面见图2。

图1 箱梁纵断面(单位:cm)

2 连续梁横向计算方法

预应力混凝土连续箱梁是个空间结构，本设计分析时将箱梁计算的空间问题转化为平面问题，在连续梁纵向计算通过后，需计算横向能否通过。横向计算方法:将箱梁横断面模拟为横向环框结构，在纵向取最不利断面中的一延米对其进行受力分析。离中支点越近，箱梁截面越大，刚度越大，故箱梁截面最小的是连续梁跨中附近截面(此截面不是跨中处的横隔梁截面)，即图2所示截面作为计算截面。箱梁横截面可作为支承在箱梁腹板中心线下缘的框架结构，然后对横向环框进行有限元分析。环框截面划分为42个截面和42个单元，结构计算模型见图3。

图2 箱梁横断面(单位:cm)

图3 横向环框计算模型(单位:cm)

横向环框采用西南交大编制的《桥梁结构分析系统BSAS》程序按照不同荷载组合进行配筋和计算分析，并根据规范对其进行验算。

3 横向环框计算和结果分析

3.1 计算荷载

1)恒载:包括结构自重、横向预加力。

2)二期恒载:纵向1延 m二期恒载为145 kN，折算到桥面横向为13 kN/m。

3)活载:中—活载，横向分析时的活载用特种轮重250 kN作用于轨枕底面，并在轨枕两端各以1∶1坡线向下扩散，其中道砟厚为65 cm，荷载图式见图4。计算时考虑动力系数的影响。

图4 活载横向分布模式

4)温度力:结构整体升温按25℃考虑，降温按－25℃考虑，非线性温度变化按顶板升温5℃考虑。横向环框温差按照日照模式及寒潮模式两种情况计算，荷载组合时取其最不利情况组合，其温差计算模式见图5。

图5 温差计算模式

5)混凝土收缩徐变影响力:根据《铁路桥涵设计基本规范》，按老化理论计算混凝土收缩徐变。该连续梁采用C55混凝土，其中徐变系数终极值为2.0(混凝土龄期取为7 d);徐变增长速率为0.005 50;收缩速度系数为0.006 25;收缩终极系数为0.000 16。环境条件按野外一般条件计算，相对湿度取70%。

6)列车脱轨力:当考虑列车脱轨荷载时，列车脱轨荷载可不计动力系数，对于本桥双线桥，只考虑一线脱轨荷载，且另一线不作用列车活载。根据《铁路桥涵设计基本规范》，列车脱轨后有两种模式，对于本桥横向分析，规范中的列车脱轨荷载2最为不利，即列车脱轨后已离开轨道范围，但仍停留在桥面上。该荷载为一条平行于线路中线的线荷载，作用于挡砟墙内侧，离线路中心线的最大距离为2.0 m。荷载长度20 m，其值为80 kN/m。列车脱轨荷载见图6。

图6 列车脱轨荷载

3.2 荷载组合

根据列车行驶情况，可以模拟为三种:工况1为单线正常行车;工况2为双线正常行车;工况3为单线行车且脱轨。荷载图式见图7～图9。三种工况下的荷载组合分别有两种:①主力组合:恒载+二期恒载+混凝土收缩徐变+活载;②主力+附加力组合:恒载+二期恒载+混凝土收缩徐变+活载+温度力。

图7 工况1

图8 工况2

图9 工况3

3.3 箱梁横向配筋计算

横向环框顶板顶层和底层均设计为φ16 mm钢筋，按照10 cm间距布置，且在顶板底层设有横向预应力，采用5-φ15.2 mm钢绞线，按照50 cm间距布置，按规范及相关规定试算，分别对环框三种工况下的施工及运营阶段顶板上下缘混凝土正应力检算;运营阶段顶板正截面抗裂及抗弯强度检算;顶板斜截面抗剪、抗弯强度检算等。三种工况下环框顶板运营阶段各截面检算结果见表1—表3。

3.4 结果分析及采取措施

从表1—表3中可以看出，计算结果满足规范要求，钢束及钢筋配置合理。从计算结果中得知:最受控制的检算项是下缘正应力和安全系数，控制的荷载工况是工况3，在工况3的荷载作用下，横向环框的相关计算结果见图10～图14。

表1 运营阶段环框顶板截面验算控制值(工况1)

表2 运营阶段环框顶板截面验算控制值(工况2)

表3 运营阶段环框顶板截面验算控制值(工况3)

图10 主力时环框弯矩包络图(单位:kN·m)

图11 运营阶段顶板上缘截面应力图(单位:MPa)

图12 运营阶段顶板下缘截面应力图(单位:MPa)

图13 主力时环框剪力包络图(单位:kN)

图14 运营阶段环框结构恒载变形图(单位:mm)

横向钢束的详细情况:结构顶板横向预应力钢束采用5-φ15.2 mm钢绞线，钢绞线采用符合 GB/T5224标准的高强度、低松驰、抗拉强度标准值 fpk=1 860 MPa的钢绞线，钢束弹性模量为 Ep=1.95×105MPa，采用BM型锚具锚固，内径为90 mm×19 mm的金属波纹管成孔。钢绞线采用单端交错张拉方式张拉，为了避免与纵向钢束的干扰，横向钢束在腹板附近设有曲线，在锚固端和张拉端处，钢束位于翼缘板的中心位置，其布置见图15。

4 结论

通过对铁路连续箱梁横向环框的分析、建模和计算，得出控制性计算结果，从而对结构采取可靠措施，保证了箱梁结构横向刚度、强度和稳定性，使双线铁路连续箱梁横向的设计措施安全可靠，合理可行。本文以工程实例为研究对象并得出结果，可为我国今后类似工程的建设提供经验，对同类桥梁设计具有借鉴及指导意义。

图15 横向环框顶板横向预应力布置(单位:cm)

［1］ 中华人民共和国铁道部．TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［2］ 中华人民共和国铁道部．TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［3］ 范立础．桥梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［4］ 范立础．预应力混凝土连续梁桥［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［5］ 郭金琼，房贞政，郑振．箱形梁设计理论［M］．北京:人民交通出版社，2008．

［6］ 项海帆．高等桥梁结构理论［M］．北京:人民交通出版社，2001．