简支道岔梁设计

朱先意

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 工程概况

该桥是某铁路工程新建的一座特大桥，为双线桥变四线桥。最宽的一孔道岔梁采用10片简支T梁，桥面宽20.7 m，梁长24.6 m。道岔梁上横向设置10个支座，支座均位于各T梁腹板中心位置。

2 设计原则

结构形式:桥梁计算跨度为24 m，全长24.6 m，梁高2.5 m，轨底至梁底建筑高度为3.2 m;中梁顶宽1.7 m，边梁顶宽2.2 m，下缘宽均为0.98 m。

道岔布设要求:道岔设在简支梁上时，应满足道岔活动部分(尖轨、心轨)不跨越梁缝，且应尽量远离梁缝，尖轨和心轨尖端距梁端距离均不小于2.5 m。桥面横向应为整体式结构，即道岔侧股不应跨越纵向梁缝。桥梁横向布置如图1所示。

2.1 设计技术标准

全线标准:设计时速120 km的重载铁路，双线有砟轨道，设计活载“中－活载(2005)之ZH活载”。地震基本烈度为6度。

图1 桥梁横向布置(单位:mm)

2.2 材料及主要参数

(1)混凝土

采用 C55混凝土，E=3.6e4 MPa，偏心受压［σb］=16.8 MPa。

(2)钢绞线

纵向预应力钢筋采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的高强低松弛钢绞线，公称直径15.2 mm，公称面积140 mm2，执行GB/T5224—2003标准。

3 整体模型计算

3.1 Midas梁格划分

采用空间梁格法对多片道岔T梁进行分拆。梁格划分时，沿腹板中心线将梁部结构划分为10个纵梁，纵梁的惯性矩按绕上部结构主轴计算。取跨中代表区域内的箱梁刚度，分别计算纵梁的扭转和弯曲刚度及剪切面积。

3.2 Midas梁格模型

梁格分拆的有限元模型和消隐的实体如图2所示。10根纵梁间利用间距为4.0 m的横隔梁连接，横隔梁刚度计算中采用细腹板连接的两矩形实体截面模拟。

图2 整体有限元模型

3.3 计算结果

(1)结构自振频率

自振频率限值按照《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)第5.1.3条预应力混凝土梁执行。道岔梁的计算自振频率如表1所示。

表1 结构动力特性

计算跨径为24 m的简支梁，竖向自振频率限值为n0=23.2=23.58×24－0.592=3.593 Hz，竖向自振频率满足设计要求。

(2)结构变形及刚度

梁体的竖向挠度计算采用中—活载(2005)之ZH活载，四线桥取1线与2线、1线与3线、2线与4线、道岔与4线、1线与2线及3线活载的最大值，竖向挠度计算最不利结果为2线与4线的活载组合。计算挠跨比结果为1/4 214，满足竖向挠跨比限值1/3 300。

在中—活载(2005)之ZH活载作用下，最大梁端转角为2线和4线组合下活载，最大向下转角0.705×10－3rad，最大向上转角 0.682×10－3rad，满足“在活载作用下，梁端竖向折角不应大于1.5‰”的设计要求。

在列车横向摇摆力、风力和温度的作用下，梁体的水平挠度为0.126 mm，挠跨比则为1/190 476，主桥横向刚度满足“梁体的水平挠度应不大于梁体计算跨度的1/4 000”的设计要求。

(3)运营荷载下混凝土应力

根据《铁路钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)第 6.3.10、6.3.11条的要求，混凝土构件的正截面混凝土的应力及斜截面混凝土的主拉应力应满足如下要求。

压应力:σc≤0.5fc=0.5×37.0=18.5 MPa

主拉应力:σct≤0.7fct=0.7×3.3=2.31 MPa

纵梁采用PSC截面，计算的运营荷载下各截面的正应力、剪应力和主应力如表2所示。

表2 主梁设计应力 MPa

(4)支反力

各支座反力见图3。各工况最大、最小反力见表3。

图3 主力组合支点反力

表3 各工况支点反力kN

4 纵向计算

4.1 模型介绍

本桥为单跨24 m简支道岔梁，采用西南交通大学桥梁分析软件BSAS计算，模型如图4所示。

4.2 主要计算成果

图4 纵向计算

表4 截面应力 MPa

运营阶段截面应力如表4所示。应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3－2005)第6.4.13、6.4.14条的要求。

运营阶段截面强度如表5所示。

5 横向设计及计算结果

5.1 横向模型介绍

表5 截面强度

(1)主梁变形及刚度验算

活载作用下的挠度值:

静活载作用下最大挠度值－5.97 mm(向上变形为“+”，向下变形为“－”)，为跨度的1/4 020.1(小于1/3 300)，比整体模型计算结果1/4 214稍大，结构安全。

恒载挠度值及预拱度设置:

恒载作用下引起的最大挠度值9.63 mm(向上变形为“+”，向下变形为“－”)，静活载引起的竖向挠度为－5.97 mm。预拱度按(恒载+1/2活载)挠度值反向设置，理论计算跨中预拱度值为6.645 mm(向下)，其他位置按二次抛物线过渡。

(2)梁端竖向折角和工后徐变

在活载作用下，梁端竖向折角为0.793‰ ＜1.0‰(rad)。

本设计二期恒载上桥时间按预加应力后90天计算，理论计算残余徐变拱度值为2.61 mm，小于限值20 mm，满足要求。

(3)施工阶段温度组合检算结果

施工阶段混凝土应力验算根据桥规 TB10002.3—2005的第6.4.4条进行，本桥张拉预应力时混凝土强度已达到标准强度的100%，故压应力允许值0.75fck

'=0.75×1.00×37.0=27.75 MPa，拉应力允许值0.70ftk

'=0.70×1.00×3.30=2.31 MPa。从计算结果可见，施工阶段混凝土未产生拉应力，最大压应力为11.26 MPa＜27.75 MPa，满足规范要求。

(4)架桥机运架梁检算结果

架桥机运梁阶段满足《铁路桥涵钢筋混凝土和预

按不同顶板与腹板厚度分类，顺桥向取单位长度的主梁梁体，简化成框架，模型单元采用梁单元，边界条件为在各腹板中心线处简支。

根据分析，跨中截面最为不利，截面左右对称，取其左半部对其分析。悬臂端部厚0.32 m，悬臂根部厚0.42 m，腹板厚度为0.36 m，纵向长度取1.0 m。

纵向取1 m梁段，按照支撑设在腹板底端的横向框架为结构模型，采用桥梁结构专用有限元程序进行计算。横向共71个节点，70个单元，单元划分见图5。

图5 单元离散图

5.2 横向荷载分布

采用以下组合进行控制截面处的应力检算。

组合1:自重+二期恒载+收缩徐变+列车荷载;

组合2:自重+二期恒载+收缩徐变+脱轨荷载2(向左脱轨);

组合3:自重+二期恒载+收缩徐变+脱轨荷载2(向右脱轨)。

5.3 截面检算

截面横向受力分别按图6取控制截面处进行，按规范进行应力和裂缝检算。

图6 单元离散图

根据受力特点用受弯构件进行检算。

经计算最不利荷载组合下的检算结果为荷载组合3，如表6所示。

通过以上结果可知，主梁在最不利组合下的各项指标均符合规范要求。

表6 检算结果

6 结束语

通过对10片道岔区T梁的整体有限元分析与采用梁单元的纵向分析的挠度指标相比较，梁单元程序计算的挠度值略大于整体有限元的计算结果，采用梁单元程序对结构进行强度应力分析偏于安全。

本梁的设计满足了站场道岔轨道布置，为简支桥梁上设置道岔提供了实例，具有较好的经济、社会效应，对类似道岔梁设计提供了参考。

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