极限斜交角框架桥空间结构受力分析及设计

徐兆亮

(中冶京诚工程技术有限公司，北京 100053)

1 概述

本桥跨度为20 m+20 m(净跨斜长)两跨连续钢筋混凝土框架桥，框架桥斜交角为47°，设计活载为中—活载，本场地位于地震基本烈度6度区范围，场地设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35 s［1］。框架结构采用C40钢筋混凝土实心板梁;下部基础形式采用承台下接桩基础。桥型布置图见图1。

图1 桥型布置图

2 项目设计

2.1 项目本身特点

1)结构形式特殊。该桥是一个整体式桥台桥梁，上部结构和下部结构连成一体整体受力。

2)框架斜交角度小。该桥最小斜交角度为43°，超越了规范框架斜交角不宜小于45°的规定。

3)跨度大。本桥跨度为20 m+20 m(净跨斜长)，在钢筋混凝土框架桥里已经基本达到了跨度的常规极限。

2.2 项目设计思路

本桥为整体式框架桥，斜交角较小，且该桥地质揭露情况显示基础下有3 m～5 m的淤泥层，如果不能将下部结构与上部结构联合受力真实情况模拟出来，将不能为该桥的后续设计提供精确的受力数据。所以本桥采用整体式空间结构进行建模分析［2］。

本桥项目设计共采用了四个结构模型进行分析，第一模型:顶板、边墙采用板单元模拟，下部承台、桩基础利用一般弹性支撑，耦合刚度矩阵进行模拟;第二模型:顶板、边中墙采用板单元，承台采用实体单元，桩基础用一般弹性支撑，耦合刚度矩阵进行模拟;第三模型:顶板、边中墙采用板单元，承台采用实体单元，桩基础用等代桩长进行模拟;第四模型:顶板、边中墙采用板单元，承台采用实体单元，桩基础用实际桩长、土采用土弹簧进行模拟。根据以上模型，经过计算受力分析，认为第四模型能最大程度的模拟结构的真实受力情况，所以采用第四模型进行结构的设计。

本桥建模分析采用midas civil7.4.1软件。

2.3 结构受力分析、结构设计、结构验算

2.3.1 结构尺寸初步拟定［3］

根据实际受力情况初步估算，初步拟定框架桥顶板厚1.3 m，边墙厚1.0 m，中墙厚0.8 m，桥台为双排直径为1.2 m的桩，中墙为1.2 m的单排桩。

2.3.2 结构建模

顶板、边中墙采用板单元，承台采用实体单元，桩基础用实际桩长、土采用土弹簧进行模拟。整体空间结构模型见图2。

图2 整体空间结构模型

2.3.3 桩—土边界条件模拟

桩侧土的模型采用m法进行计算模拟，桩的单元采用梁单元，2 m一个单元，在每一个单元的节点处在x正方向和负方向、y正方向和负方向加土弹簧。桩土相互作用采用m法进行模拟，见图3。

图3 m法桩—土相互作用模型

2.3.4 上部结构受力分析、配筋验算

1)顶板。

内力情况:顶板跨中最大正弯矩为1 100 kN·m，顶板中墙处负弯矩为－2 000 kN·m，钝角局部最大负弯矩为－2 950 kN·m;跨中剪力为200 kN，1/4跨中处为－700 kN，中墙处顶板剪力为－900 kN;配筋情况:顶板下缘配8Φ22+8Φ28(每延米)，顶板上缘(中墙及边墙处)配8Φ28+8Φ28(每延米)，配8Φ22抗剪斜筋;受力检算:现有配筋均能满足规范抗弯、抗剪的要求［4］。

2)边墙。

内力情况:最大正弯矩为150 kN·m，负弯矩为－1 200 kN·m，局部最大负弯矩为－1 802 kN·m;最大剪力为550 kN;配筋情况:边墙外侧正常段配8Φ22+8Φ28(每延米)，外侧边墙底配8Φ28+8Φ22+8Φ22(每延米)，外侧边墙顶配8Φ28+8Φ22+8Φ28(每延米);受力检算:现有配筋均能满足规范抗弯、抗剪的要求。

3)中墙。

内力情况:最大弯矩为300 kN·m，局部最大负弯矩为－2 400 kN·m;最大剪力为450 kN;配筋情况:中墙内外侧正常段配 8Φ22+8Φ25(每延米)，中墙底内外侧配 8Φ22+8Φ22+8Φ25(每延米)，中墙顶配8Φ22+8Φ22+8Φ25(每延米);受力检算:现有配筋均能满足规范抗弯、抗剪的要求。

2.3.5 裂缝检算

顶板在跨中处的最大裂缝为0.186mm，在中墙处的最大裂缝为0.164 mm，满足规范最大裂缝不超过0.2 mm的要求。

2.3.6 挠度检算

经过计算，顶板最大竖向挠度为18.4mm，小于规范允许挠度［f］=l/800=25.75 mm 的要求。

2.3.7 桩基础设计

单根桩基竖向力最大为7 320 kN，最大弯矩为2 386 kN·m，由于桥台的最外排靠钝角处的两根桩弯矩大，且竖向力较小，配主筋为36Φ28，其他桥台下的桩配筋为28Φ28，中墙下桩基配筋为18Φ22，经验算，强度及裂缝均能满足规范要求［5］。

3 结语

通过该项目整体空间结构建模分析、计算，在大跨度、斜交角小的框架桥设计当中应该注意以下几点:

1)对于整体式框架桥，由于上下部结构联合受力，如果基础的地质情况比较复杂，在设计当中最好能将地质的实际情况反映到模型中去，如果不考虑地质的实际情况而将承台以下的边界条件模拟为刚节点，有可能据此算出的受力数据超出了设计的误差允许范围，导致错误的设计结果。

2)斜交角小的两跨框架桥的顶板内力受力不均，在与中墙相接的顶板的钝角处弯矩最大，该处是整个顶板的配筋设计的控制区域，需要进行差异化设计。

3)每根桩基的受力是非平均的，比如桥台下的桩基，其最外排靠钝角处的两根桩弯矩大、竖向力较小。对于桩基的设计需要根据实际的受力情况进行差异化设计。

［1］GB 50111-2006，铁路工程抗震设计规范［S］.

［2］TB 10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范［S］.

［3］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］.

［4］TB 10002.4-2005，铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范［S］.

［5］TB 10002.5-2005，铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.