斜交地道桥的受力分析

徐波

摘要：斜交地道桥受力情况复杂，不仅受到弯矩和剪力作用，由于斜交角还会有扭矩作用。运用MIDAS软件，采用厚板理论建立空间有限元模型进行空间受力分析，求出主应力方向及板内受力分布规律，根据主弯矩作用确定合理的布筋方式。

关键字：斜交地道桥，空间有限元

Abstract: to skew bridge force of complex, not only by bending moment and shear function, due to the oblique Angle will also have the torque role. Using the MIDAS software, a thick plate theory, a space finite element model space force analysis, to work out the principal stress direction in the plate and the stress distribution law, according to the bending moment role the determination of reasonable cloth reinforced ways.

Key words: to skew bridge, space finite element

中图分类号：U291.6+5文献标识码：A文章编号：

交通工程中一个重要问题是铁路和公路平面交叉所产生的交通干扰，解决的办法主要是修建地道桥。地道桥用地少，投资小，施工方便，越来越被大量采用，斜交地道桥结构日益增多，但其受力情况复杂，尚未形成完整的理论体系。当采用平面杆系的计算方法和实际情况相差较多，而且不能对另一方向的受力进行分析。本文采用厚板理论，用MIDAS软件建立空间有限元模型对斜交地道桥进行受力分析，根据受力分析结果确定合理的配筋原则。

1 某地道桥基本概况

地道桥为1-11.5m框架桥，铁路和公路夹角为60°，顶板厚0.85m，边墙厚0.85m，底板厚0.95m，轨底到顶板顶填土厚为0.8m，地道桥全长14m，构造图见图1。地质情况自上至下依次为：人工填土，1.7m；粉质粘土，2.2m；细砂，4.1m；中砂，5.4m；地道桥基础位于细砂层。

2 有限元模型的建立

采用厚板理论，将地道桥模拟成板壳结构，弹性地基模拟成链杆。其板壳有限元模型见图2所示。边墙采用4节点板单元，各板在节点处均为刚性连接。地基处理采用温克尔假定，设想与地基接触的每个单元上有4根弹性链杆，分别连在4个节点上，每个节点所在弹性链杆的刚度为所连单元地基各自分配给它的刚度总和。

3荷载的选用

3.1恒载

3.1.1结构自重及线路上部建筑的重量

按照《铁路桥规》第3.2.1条给出了桥涵结构恒载计算值：

碎石道床：

防水层：

顶板混凝土重：

在MIDAS中按面均布荷载作用于框架顶板上。

3.1.2土的侧压力

作用于框架两侧的土体侧压力，按库伦理论推导的主动土压力计算公式进行计算，。

土体容重,土体内摩擦角，框架顶板以上填土高度，道床容重，经过计算得，。

在MIDAS中按梯形均布荷载作用于两侧边墙上。

3.1.3混凝土收缩

根据《铁路桥规》第4.4.5条规定，混凝土收缩的影响可按降低温度的方法来计算。对于整体灌注的钢筋混凝土结构，相当于降低温度15°，线膨胀系数。

由于地道桥主体框架结构式分两步灌注的，先灌注底板，然后再灌注边墙和顶板。当底板灌注完毕后，养护期间，混凝土的收缩已经大部分发生。当灌注顶板时，可以认为底板已不再大量收缩，所以，混凝土的收缩影响，主要是考虑顶板的收缩。又由于结构是对称的，因而顶板左右两端收缩量是相等的。

3.2活载

3.2.1列车活载：由于MIDAS按影响线和影响面加载很方便，在考虑列车移动荷载时，按照车道来进行加载。车道宽度B由列车横向分布的影响来确定。在MIDAS中，车道折减是按公路规范确定的，可以在后处理的荷载组合中，按《铁路桥规》取列车荷载组合系数。此例，。

3.2.2冲击力：按《铁路桥规》，当顶板厚度（从轨底至顶板顶），不考虑冲击力，否则冲击系数为式中，L为桥跨长度。对于该桥，。在MIDAS中，在移动荷载选项选铁路框架桥就可以按上述方法计算冲击系数。

3.2.3活载引起的水平土压力：列车活载在框架边墙引起的侧向土压力p是按下式计算：。

:在轨底以下深度处,活载的竖向压力强度。

:系数，填土时采用0.25～0.35，经久压实的路堤采用0.25，在本桥中取0.3。计算板顶及板底中心线处的强度值，以梯度面载作用于边墙上。

当进行内力分析时，只需按某一侧来车引起的土侧压力计算。对于双侧来车情况，只需将两侧分别有土侧压力的内力叠加起来即可。

3.2.4公路荷载和人行道荷载：

铁路荷载直接作用于顶板上，公路荷载直接作用于底板上。铁路活载是铁路地道桥框架结构设计的重要荷载，公路荷载对产生框架结构的内力值的影响较小，故公路荷载可用近似的简化荷载来替代。本桥采用公路Ⅰ级荷载，换算为均布荷载作用于底板上。

由于人行道荷载对地道桥结构产生的内力十分微小，可忽略不计。

3.2.5附加力：

按《铁路桥规》第4.3.7条的规定，制动力应按列车竖向静活载的10%计算。若制动力与离心力或列车竖向动力作用同时考虑时，制动力可按列车竖向静活载的7%计算。双线桥应采用一线的制动力。制动力应按一线和两线折算为每延米的列车制动力，并取其大者。本桥取制动力为16.24KN。

计算该桥温度力时，考虑了两种温度力，一种是温度梯度荷载，按顶板变化5°计算，第二种是系统温度，按整个结构升降温10°计算。

4计算结果分析

地道桥顶板直接承受铁路荷载，受力趋势较边墙及底板更能反应斜交地道桥的受力特点。顶板主弯矩方向多数位置几乎垂直于边墙，在自由边两倍板厚范围内，主弯矩方向向平行于自由边方向扭转，且同一横断面的最大弯矩向钝角方向偏移，见图3。

框架最大负弯矩发生在边墙于顶板相交的自由边处，最大正弯矩不在跨中，而是向钝角一侧偏移，沿宽度方向由钝角处向锐角处递减；边墙与顶底板连接处应力变化急剧，边墙厚度不宜过薄，见图4。

5斜交地道桥的布筋

根据有限元计算的内力结果，斜交地道桥布筋应掌握以下原则：

（1）在几个主要控制截面求出最大弯矩（绝对值）方向，主筋布置方向要与最大弯矩作用面接近垂直。

（2）斜交地道桥一般在两个垂直面上都产生较大弯矩和扭矩，因此两个方向都要布置主筋。

（3）板内主筋必须伸入边墙内，且与边墙内竖向主筋焊接，形成封闭形主筋，有利于抗扭，板内与自由边相交钢筋也应完成箍筋形式以抵抗自由边扭矩。

（4）边墙侧有土侧压力，顶板和边墙固接处顶板下缘及边墙侧要布置主筋，以承受可能产生的弯矩。

（5）钝角处产生较大的弯矩和扭矩，布筋需要加强。

6结论

斜交地道桥由于斜交角的影响，框架内任一截面都存在复杂的弯矩、扭矩和剪力的复合作用，设计时按控制截面可能发生的最不利内力的组合，求出主应力方向及板内受力分布规律，根据主弯矩作用确定合理的布筋方式。

参考文献：

［1］李家稳. 《地道桥设计与施工》. 中国铁道出版社，2011.

［2］王丽，季日臣，伊新芳，谢讼诗. 《斜交框架地道桥的力学特性》. 甘肃科学学报.2009（1）

［3］潘文怡. 《斜交框架地道桥的设计探讨》. 铁道标准设计，2009（6）.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。