铁路钢筋混凝土斜交刚构连续梁实体受力分析

蔡畅

摘 要 近年来，随着高速铁路大规模的发展，铁路与公路、河流沟渠之间的交叉越来越多且交叉角度各异，为了顺利地实现跨越，斜交刚构运用地越来越多。本文以某时速350Km/h客运专线斜交钢筋混凝土双线刚构连续梁为例，结合项目背景对其主要技术参数进行了介绍，并利用空间有限元分析软件Midas Fea进行了受力分析，桥梁的应力分布呈明显的不对称特征，对设计注意事项进行了探讨，为同类工程设计提供参考。

关键词 铁路;斜交桥;钢构连续梁;有限元分析;桥梁设计

1概述

近年来，随着高速铁路大规模的发展，铁路与公路、河流沟渠之间的交叉越来越多且交叉角度各异，为了顺利地实现跨越，斜交刚构连续梁运用地越来越多[1]。斜交钢构主体结构为平行四边形构造，由于结构自身的不对称性，其梁体受力分布也会呈现很强的空间特性[2]，本文结合某时速350Km/h客运专线钢筋混凝土双线刚构连续梁设计进行了空间有限元受力分析，并结合结构受力特征对其设计注意事项进行了探讨。

2工程概况

本结构为跨度（20+24+24+20）m钢筋混凝土连续刚构，主梁全长89m，支座中心纵向距梁端0.5m;本桥主梁及主墩分两幅桥设置。主梁及主墩均为钢筋混凝土结构，其混凝土强度等级均为C40，钢筋采用HRB400钢筋。主梁采用矩形实体截面，外侧单侧设置1.30m宽翼缘板;边支点、边跨跨中、中跨跨中处主梁梁高1.35m;主墩为刚臂墩，主墩处梁高为2.15m。单幅梁底宽4.99m，顶宽6.29m。主墩与主梁刚接，主墩斜向布置，其轴线与主梁轴线夹角45度;1～3号主墩墩高分别为6.2m、6.2m、4.7m，主墩横向与梁底同宽，纵向厚度1.909m。两幅桥的主墩采用整体式桩基础（未分幅），承台纵向尺寸4.8m，横向尺寸15.9m，厚2.0m，承台斜置，每个主墩均采用10根直径1.0m钻孔灌注桩基础。

3建模及计算

3.1 计算模型

选择利用有限元方法对该桥进行实体建模计算以分析其应力分布情况。采用大型通用有限元软件 MIDAS FEA 建立模型，此软件可以进行结构的细部分析。在 MIDAS FEA 软件中建立有限元模型，用四面体单元模拟混凝土，共划分381756个单元，模型如图2所示。

约束桩基底竖向位移、纵向位移及水平位移，同时桥梁梁端添加支座约束竖向及横向位移，为检验梁底应力情况，偏保守地不考虑桩基侧面支撑作用。

3.2 设计荷载

计算过程中，荷载按静载加载，考虑结构自重、二恒及活载三种主要荷载，分别对不同荷载类型进行结构计算，同时按照施工顺序对荷载依次进行了叠加计算。

4计算结果及分析

4.1 结构变形分析

由图3可知，斜交刚构连续梁桥竖向挠度变化规律类似于正交刚构连续梁桥，但由下部结构桥墩的支承点连线梁体纵轴线不垂直，梁体会有一定的横向扭转变形，从而导致内外侧挠度有所差别，梁体外侧（桥梁梁端至约束较长一侧）的竖向挠度会大于内侧竖向挠度（桥梁梁端至约束较短一侧），如图3所示。

4.2 结构受力分析

如图4所示，分别选取四跨共计15个主要截面（每跨1/2处、1/4处）对其应力分布情况进行了分析;各截面应力特征值曲线和应力分布云图分别如图5、6所示。

由图5中应力特征值曲线和截面应力云图可知（横坐标0、4分别表示第一跨梁端与第四跨梁端处，中间数字表示梁体各截面位置），随着截面变化，斜交刚构连续梁桥应力特征值变化规律同样类似于正交刚构连续梁桥[3-4]，但两者受力模式有比较大的不同，正交刚构连续梁主要受竖向弯矩作用，而斜交刚构连续梁桥会受到“弯-扭耦合”作用，由于较大的约束扭转和截面畸变，在截面同一位置处，应力平均值与最大值有较大差别，呈现出明显的离散性[5]。

从图6所示截面应力云图中可明显看出桥梁下部受拉区域有较大的应力集中（红色部分），上部受压区域应力的分布相对较均匀，较大差异化的应力应变分布会对结构产生更为不利的影响，因此，当采用平面杆系建模计算时，应考虑桥墩与梁体的斜交情况，采用最为不利的“最大跨”模型进行计算[6]，即梁端至墩顶的最远距离作为边跨计算跨度，并按照此计算结果进行配筋设计;由于桥梁孔跨间梁体为平行四边形结构，引起结构受力响应出现了较强的不对称特征，桥梁梁端至约束较短一侧会卸载，梁端至约束较长一侧会超载。

5结束语

①钢筋混凝土斜交刚构连续梁桥与常规正交刚构连续梁桥受力模式有较大差别，变形及应力分布均具有较强的空间三维特性。②斜交刚构连续梁桥应力、应变特征值变化规律类似于正交刚构连续梁桥，但由于弯扭耦合作用，截面上应力横向分布具有明显的离散性。③梁体截面配筋设计时，需充分考虑截面应力分布不均匀性，按照最不利工况进行配筋计算。④由于桥梁孔跨间梁体为平行四边形结构，引起结构受力响应出现了较强的不对称特征，桥梁梁端至约束较短一侧会卸载，梁端至约束较长一侧会超载，还应注意卸载一侧是否会有支座脱空的情况发生。

参考文献

[1] 陆锋.铁路斜交刚构连续梁桥设计[J].中国水运月刊，2015（3）：129，222-223.

[2] 佚名.钢筋混凝土斜交刚构连续梁桥的实验与数值分析[J].实验力学，2003（3）：8-13.

[3] 刘巧丽.宁安城际龙眠山路斜交刚构连续梁桥设计[J].黑龙江科技信息，2012（18）：253-254.

[4] 许威.连续刚构桥体外预应力加固關键技术研究[D].重庆交通大学，2013.

[5] 柴桂红，白鸿国.曲线斜交钢筋混凝土连续刚构受力分析[J].铁道工程学报，2008（4）：52-55.

[6] 汪禹.铁路斜交钢筋混凝土刚构连续梁设计研究[J].山西建筑，2018，44（13）：181-183.