铁路斜交钢筋混凝土刚构连续梁设计研究

汪　禹

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉　430063)

0　引言

铁路常采用斜交刚构跨越既有的斜交道路与河流沟渠，固结的刚壁墩增强了桥梁整体性和抗震性，保证桥下道路行车视距通畅，并能有效降低主梁结构高度和工程造价。本文以时速250 km高速铁路斜交刚构为例，结合主要设计原则及技术参数，比较结构整体式与双线分离的受力特点，并分析基础刚度、刚壁墩壁厚对结构配筋的影响。

1　适用范围

铁路斜交刚构连续梁一般采用中墩与梁部固结，边墩及桥台采用活动支座。固结的主墩与梁部增强了桥梁整体性和抗震性，而梁部、桥墩均可斜交斜做，与铁路跨越的斜交道路、河流相适应协调，其能有效减小主梁结构高度。常见的铁路刚构连续梁跨径组合及斜交角度如表1所示。

表1　常见铁路刚构连续梁跨径组合及斜交角度

2　主要设计原则和技术参数

2.1　主要设计原则

1)适用范围：适用于时速250 km高速铁路；

2)设计速度：250 km/h；

3)线路情况：双线，直、曲线，最小曲线半径7 000 m、困难条件下5 500 m，双线线间距4.6 m,5.0 m；

4)桥面宽度：桥面顶宽12.2 m,12.6 m分别对应线间距4.6 m,5.0 m；

5)轨道结构型式：有砟轨道。

2.2　主要技术参数

1)列车活载：采用ZK活载，活载图示如图1所示。

列车活载的动力作用，按“高铁规范”第7.2.8条办理：

2)二期恒载：对于双线桥面二期恒载(包括钢轨、扣件、垫板、枕木、道碴、防水层、保护层、电缆槽、挡碴墙、遮板、隔音墙、接触网支架、人行道板、声屏障等)，具体见表2。

表2　有砟轨道二期恒载

3)横向摇摆力：取120 kN作为集中荷载作用于桥梁最不利位置，对于双线桥只取一线上的摇摆力。

4)温度荷载：整体升降温按升温20 ℃、降温20 ℃计算；温度梯度按沿板厚5 ℃计算。

5)基础不均匀沉降：按相邻墩台沉降差10 mm考虑。

6)其他荷载：制动力、离心力、风力等荷载按照《铁路桥涵设计规范》取值。

2.3　选用材料

1)梁体和刚壁墩均采用C40混凝土。

2)活动墩顶帽、墩身采用C35混凝土。

3)支承垫石采用C40混凝土。

4)普通钢筋采用HRB400钢筋和HPB300钢筋。

5)支座采用球形钢支座。

2.4　主要轮廓尺寸

刚构连续梁主体部分宽10 m，单侧悬臂长1.1 m～1.3 m，分别对应桥面总宽12.2 m～12.6 m。悬臂端部厚度0.2 m，根部厚0.3 m。刚构连续梁正交时按整幅考虑，斜交时主梁、刚壁墩按两幅考虑，见图2。

2.5　控制截面应力及裂缝限值

最大负弯矩的控制截面位于刚壁墩墩顶，最大正弯矩则位于次边跨跨中，C40混凝土容许压应力13.4 MPa，HRB400钢筋应力控制：主力组合容许应力不大于210 MPa，主+附组合容许应力不大于270 MPa，裂缝宽度限值为0.2 mm。

3　结构受力分析

3.1　计算方法

主梁采用钢筋混凝土实体板梁，由于主梁及桥墩斜交布置，梁体内力沿横向分布不均匀。采用桥梁博士程序按平面杆系建模计算时，可取刚壁墩边线所在纵向截面建模，即建立“大小跨”模型。根据截面内力对各截面进行配筋计算，再将全梁配筋沿中跨跨中对称按大配筋量布置。

为较准确模拟斜交刚构的受力特性，本文以斜交25°的(13+3×16+13)m刚构连续梁为例，分析基础刚度、刚壁墩壁厚对结构配筋影响。采用空间计算软件midas civil建立空间分析模型，梁部采用板单元模拟，刚壁墩采用梁单元模拟；刚壁墩墩底节点再加上5个方向弹簧刚度以模拟基础边界，计算模型如图3所示。

3.2　整体式与双线分离比较

铁路斜交刚构通常采用实体板梁，在斜交角影响下，主梁横向弯矩及扭矩较大，尤其当主梁跨度较小时，结构宽跨比接近1∶1，此时整体受力体系较为复杂。若主梁和刚壁墩采用分离形式，可显著减小主梁横向宽度，使结构配筋计算更为明确。下面以斜交25°的(13+3×16+13)m刚构连续梁为例，对整体式与双线分离的内力及应力进行对比。

对于斜交刚构的纵向弯矩分布，双线分离式比整体式内力分布更均匀，主力组合下分离式跨中截面的单位宽度纵向弯矩为9.85×102kN·m，略小于整体式的1.05×103kN·m；对于刚壁墩墩顶截面的单位宽度负弯矩，双线分离式比整体式减小4%左右。

对于斜交刚构的横向弯矩分布，整体式最大横向弯矩分布范围明显大于分离式，且最大值相差40%以上；整体式与双线分离式结构应力对比如表3所示，可以看出，整体式下的主梁纵向正应力比双线分离增加6%，横向正应力则增加28%以上。

表3　整体式与双线分离的结构应力对比　MPa

3.3　基础刚度对主梁配筋影响

根据《时速250、350公里高速铁路钢筋混凝土刚构连续梁通用参考图》，取不同基础工况下的斜交25°(13+3×16+13)m刚构进行静力分析，基础刚度取值如表4所示。

表4　斜交25°(12+3×16+12)m刚构连续梁的基础刚度取值

刚壁墩墩高5 m时，不同基础刚度工况下的计算结果如表5所示。

表5　墩高5 m、不同基础工况下的(12+3×16+12)m刚构计算结果

刚壁墩墩高9 m时，不同基础刚度工况下的计算结果如表6所示。

表6　墩高9 m、不同基础工况下的(12+3×16+12)m刚构计算结果

从计算结果可以看出：相比于主梁跨中截面，不同基础刚度对刚壁墩墩顶内力影响较大，最大裂缝值相差11.73%；对于斜交25°的(12+3×16+12)m刚构连续梁，主梁配筋的控制边界条件为墩高5 m、明挖基础工况。

3.4　刚壁墩壁厚对结构受力影响

为研究刚壁墩壁厚对斜交刚构受力影响，保持斜交(13+3×16+13)m的主梁截面不变，刚壁墩壁厚分别取0.9 m，1.1 m和1.3 m，采用空间计算模型对结构进行静力分析，计算结果见表7。

表7　不同壁厚下的(12+3×16+12)m刚构纵向弯矩对比　kN·m

表8　不同壁厚下的(12+3×16+12)m刚构墩底截面内力对比　kN·m

从表8可以看出：主梁内力随刚壁墩壁厚的增加而减小，刚壁墩壁厚从0.9 m增加到1.3 m，主梁跨中内力最大仅减小5.91%；刚壁墩壁厚的增加对刚壁墩配筋的影响明显大于主梁，墩底截面的纵向弯矩随刚壁墩壁厚的增加增大较为明显，最大增幅达27.6%。

4　结语

铁路斜交刚构能有效跨越既有的斜交道路与河流，在立交净空受限的情况下有效降低结构高度。本文以时速250 km高速铁路斜交刚构为例，结合主要设计原则及技术参数，比较结构整体式与双线分离的受力特点，得到如下结论：相比于主梁截面，不同基础刚度对刚壁墩墩顶内力影响较大，最大裂缝值相差11.73%；刚壁墩壁厚的增加对刚壁墩配筋的影响明显大于主梁，墩底截面的纵向弯矩随壁厚的增加增大较为明显，最大增幅达27.6%。