铁路刚架桥受力特性研究分析

曹华杰

（中国铁路设计集团有限公司，天津市300000）

0 引言

近年来，随着我国铁路建设事业的飞速发展，铁路网逐渐加密，铁路与既有道路之间的交叉跨越不可避免。同时，由于跨越道路的复杂性，不同跨径、斜交角度的刚架桥应运而生[1]。

刚架桥由基础、竖墙、顶板三部分组成[2]。该种结构为竖墙与顶板整体刚性连接超静定结构，在竖向荷载作用下，竖墙处顶板产生负弯矩，可有效减小跨中正弯矩，从而使该类型结构的跨中尺寸得以减小，具有结构轻便、桥下净空大的优点。此外，刚架桥以其独特的结构特点，在不中断交通情况下跨越既有线等方面具有广泛的应用前景[3-4]。

本文以某新建铁路为工程背景，基于Midas有限元软件和Asc配筋程序，对不同孔径、跨度和斜交角度的刚架桥受力和配筋情况进行了分析探讨[5-9]。

1 工程概况

某新建铁路为双线有砟轨道，设计时速250 km/h，线间距为4.6 m。其中部分工点因跨越沟渠和既有道路设计采用刚架桥结构，基础为摩擦桩。依据现场条件，基于跨度、斜交角度、净空要求，对工点进行分类汇总（见表1）。

表1 刚架桥汇总

2 结构尺寸拟定

参考相同跨径、斜交角度框构桥的结构尺寸拟定刚架桥各细部尺寸，见图1、图2、表2。

表2 刚架桥结构尺寸

图1 单孔刚架桥结构示意图

图2 双孔刚架结构示意图

3 结构受力分析

3.1 荷载取值

3.1.1 恒载

（1）自重：混凝土容重采用25 kN/m3。

（2）二期恒载：包含有砟轨道结构及附属，直线无声屏障采用205 kN/m，直线有声屏障采用225 kN/m。

（3）不均匀沉降：采用5 mm。

（4）混凝土收缩徐变：采用-15℃。

（5）恒载土压力。

3.1.2 活载

（1）活载：根据《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）采用ZK列车荷载图式，相应的动力参数按下式取值：

式中：lφ为梁的加载长度。

（2）横向摇摆力：取值为100 kN，作用于轨顶。

（3）活载土压力和离心力：《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）计算取值。

3.1.3 附加力

（1）风力：w取值为700 Pa。

（2）制动力、牵引力：直线桥采用竖向静活载的10%，曲线梁采用所竖向静活载的7%。

（3）温度荷载：整体升温25℃，整体降温-25℃，非线性升温10℃。

3.1.4 特殊荷载

（1）地震力：根据《铁路工程抗震设计规范》（2009版）（GB 50111—2006）规定计算。

（2）长钢轨纵向作用力：按《铁路无缝线路设计规范》（TB 10015—2012）计算取值。

3.1.5 荷载组合

恒载：自重+二期恒载+混凝土收缩力+恒载土压力+支座不均匀沉降。

活载：ZK活载+摇摆力+离心力+活载土压力。主力1：恒载+活载。

主力2：自重+长钢轨伸缩力+混凝土收缩+不均匀沉降。

主力+纵向附加力：恒载+制动力+温度力+风力。

主力+特殊荷载：恒载+列车静活载+地震力。

3.2 建立模型

利用Midas Civil有限元软件建立刚架桥板单元模型，采用弹性支承模拟基础约束，将基础刚度按单元长度分配到基底各节点上。仅列出双孔模型，如图3所示。该模型有节点1 178个，单元1 098个。

图3 有限元模型

3.3 计算分析

建立相应的模型，采用3.1节的荷载取值和荷载组合，提取较为控制的荷载组合内力。从内力图（见图4、图5）得出：运营荷载作用下，刚架桥顶板跨中下缘受拉，竖墙处顶板上缘受拉，竖墙为压弯构件，竖墙上缘外侧受拉。竖墙处顶板产生的负弯矩可有效减小跨中的正弯矩，从而使得该类型的结构跨中尺寸得以减小，具有结构轻便、桥下净空大的特点。

图4 主力1工况1～16 m刚架纵桥向弯矩图（单位：kN·m/m）

图5 主力1工况2～14 m刚架纵桥向弯矩图（单位：kN·m/m）

通过受力分析，根据各截面的内力进行配筋计算，将不同类型的刚架桥的配筋计算结果进行汇总，见表3。主力组合钢筋应力最大值为165.75 MPa，裂缝最大值为0.169 mm，主力+附加力最大值为174.618 MPa，裂缝最大值为0.192 mm。计算指标均满足规范要求，且结构设计较为经济合理。

表3 配筋计算结果

4 结语

本文基于铁路刚架桥的实际应用，拟定相应的结构尺寸，通过建模分析结构的受力特性和配筋计算，主要得出以下结论：

（1）刚架桥因其独特的结构特点在不中断交通的情况下跨越既有道路等方面有广泛的应用。

（2）单孔、双孔刚架桥在运营荷载作用下表现出类似的受力特点。当跨径较大采用单孔刚架桥不能满足设计要求时，可考虑采用双孔刚架桥以减小跨中的弯矩。

（3）对于不同孔径、净高、斜交角度的刚架桥，采用本文的结构尺寸均可满足配筋计算的要求，且结构设计较为经济合理，可为类似项目提供参考。