高填方段大跨度铁路框架桥力学性能

前言：想要写出一篇引人入胜的文章？我们特意为您整理了高填方段大跨度铁路框架桥力学性能范文，希望能给你带来灵感和参考，敬请阅读。

摘要:高填方段大跨度铁路框架桥比常规框架桥边墙高、跨度大且需设置中板，力学性能更复杂。本文以贵州省新建铁路瓮安至马场坪货运线瓮安车站与既有城市主干道交叉处设置2×14.0m双层双孔框架立交桥为背景，采用MIDAS/Civil软件建立空间有限元模型对框架桥中板设置方式和数量、斜交角度、顶板覆土厚度等力学性能影响因素进行数值分析，从而确定此类型框架桥的合理布置形式。研究结果表明：在边墙中部或下部设置1道中板可有效减小边墙内力；框身斜交角度超过15°时内力增幅较大；采用较小顶板覆土厚度可有效改善框身整体力学性能。

关键词:铁路桥梁；力学性能；数值分析；高填方段大跨框架桥；影响规律

钢筋混凝土框架桥广泛运用于线路立交工程中，一般跨径小于16m，填方段高度不超过10m。国内对此类框架桥结构力学性能已开展了较多的研究［1-5］，但对高填方交叉路口段设置框架桥且结构净空高度大于10m的研究较少。本文以一座市政道路下穿新建铁路货运线站场高填方段曲线双孔框架桥为依托，通过分析其力学性能及影响因素，确定框架桥结构的合理布置形式。

1工程概况

新建铁路瓮安至马场坪货运线瓮安车站与既有城市主干道交叉，车站上跨城市道路。交叉范围内设有7股道，正线为第2股道，其中第7股道距正线间距为159m，正线位于平坡、直线上。正线股道与城市道路交叉角度为54°，城市道路与车站交叉区域路线长约300m，道路宽24m，道路纵坡6%。交叉区域道路路面距铁路轨面高差13～28m。采用2×14.0m框架桥跨越道路。因车站股道与城市道路斜交，框架桥平面布置可以采用斜交斜做或斜交正做2种形式，斜交角度会影响方案布置。因站场填方最高处达30m，可采用2种方案：①顶板覆土厚度大，框身结构高度低；②顶板覆土厚度小，框身结构高度高。以填方高度最大处节段框架方案为研究对象，其净高25.1m，节段长10m。横断面布置及拟定结构尺寸见图1。图中，H为框体高度；h1，h2分别为框体第1层、第2层净高。

2有限元模型

采用MIDAS/Civil建立框架桥结构有限元模型，全桥采用板单元模拟。底板与基础之间的连接按文克尔假定理论进行模拟分析，采用受压弹簧单元模拟，地基反力系数为20MN/m3。框架桥结构参数及荷载取值如下：框身主体结构采用C45混凝土；恒载包括顶板覆土、道路路面结构、道砟及轨道设备重量；考虑边墙静土压力，混凝土收缩、徐变效应。静土压力系数采用0.25或0.35，取其不利者控制设计；活载包括列车活载（作用于顶板）、汽车活载（作用于底板）、活载土压力；收缩荷载按降温15℃考虑；顶板升降温按5℃考虑。上述荷载计算及组合均按相关规范执行［6-8］，其中边墙两侧采用A组填料掺入水泥回填。

3力学性能影响因素分析

3.1中板设置

根据中板设置方案（表1）建立有限元模型，模型中H=27.8m，框架正交，主力作用下不同中板设置位置框架桥构件内力见表2。静土压力作用下边墙内力见表3，静土压力系数为0.35。由表2可知：①设置中板可显著减小顶底板最小负弯矩、边墙正负弯矩及剪力，说明设置中板可较好地改善框体结构内力。②设置2道中板比设置1道中板能减小边墙最大正弯矩及剪力，但顶底板内力均增加较多，总体对框体结构内力并无改善。③方案2比方案3顶板内力稍大，边墙最大正弯矩显著减小；施工时方案3比方案2中板位置低，更便于支架施工。对比表2和表3可知：表3方案1边墙最小弯矩及剪力与表2方案1边墙对应数值比值约为0.60，表3方案1边墙最大正弯矩与表2方案1边墙对应数值比值为0.96，可知静土压力占主力比值较大。设置中板后可有效减小边墙静土压力工况下的内力，正负弯矩减小幅值达50%以上。由上述分析可知：选用方案2和方案3比方案1和方案4具有显著优势，考虑施工方便宜选用方案3。

3.2斜交角度

建立有限元模型研究斜交角度分别为0，15°，30°，45°时对框身构件力学性能的影响，模型中H=27.8m，中板位于边墙中间，主力作用下不同斜交角度框架桥构件内力见表4。由表4可知：随着斜交角度的增大，框身内力向钝角处集中，使得内力极值增大。当斜交角度分别为15°，30°，45°时与斜交角度为0时相比，顶板最大弯矩比值分别为1.14，1.50，1.83；剪力比值分别为1.23，1.45，1.94。这说明斜交角度超过15°时，框身内力增长幅度较大，力学性能逐渐变差。

3.3顶板覆土厚度

当道路路面至铁路轨面距离一定时，边墙高度及顶板覆土厚度可以采用不同组合形式，组合方案见表5。框架正交，主力作用下不同顶板覆土厚度框架桥构件内力见表6。可知：随着顶板覆土厚度的增加，边墙高度的降低，顶底板内力均增大，边墙最大正弯矩减小。框身整体力学性能随顶板覆土厚度增加而变差。

4结论

1）从框身结构力学性能及经济性能方面考虑，宜采用1道中板，可设置在边墙中部或下部。不设置中板会导致框身内力显著增大。为施工方便，中板可以设置在下部。2）高填方段框架桥边墙静土压力比普通框架桥增大较多，设置中板可以有效减小边墙内力。3）框身斜交角度超过15°时，各构件内力增加较大，力学性能逐渐变差。4）顶板覆土厚度较小、边墙高度较高方案比顶板覆土厚度较大、边墙高度较低方案框身整体力学性能更佳。

参考文献

［1］朱尔玉，王恒栋，谢玲.框架式地道桥设计理论与应用［M］.北京：北京交通出版社，2017.

［2］陈旭.斜交框架桥受力分析及配筋设计的研究［D］.北京：北方工业大学，2012.

［3］卫星，强士中.铁路斜交框架立交桥的空间分析［J］.铁道建筑，2004，44（5）：3-4.

［4］李慧君，陈建峰.斜交框架桥的有限元分析［J］.铁道工程学报，2007，24（2）：58-60.

［5］周家新.下穿铁路斜交框架桥的空间结构分析［J］.铁道建筑，2005，45（7）：31-33.

［6］国家铁路局.铁路桥涵设计规范：TB10002—2017［S］.北京：中国铁道出版社，2017.

［7］国家铁路局.铁路桥涵混凝土结构设计规范：TB10092—2017［S］.北京：中国铁道出版社，2017.

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部.城市桥梁设计规范：CJJ11—2011［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

作者：聂细锋 刘志军 黄树强 单位：中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司