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2 0 1 1年第 6期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 21 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 2 1 0 4 哈大客专四线钢筋混凝土连续刚构设计 项育德 ( 中国中铁第一勘察 设计 院集团有限公司 桥隧处 ， 西安7 1 0 0 4 3 ) 摘要： 铁路钢筋混凝土结构的刚构一连续梁因其上部结构高度较低 ， 可以有效地节省桥下 空间， 适用于 线路坡度受一定限制时跨越道路 而设。而在铁路枢纽 内， 股道较 多， 跨越道路频繁 ， 采用此种桥 梁形 式 较为合理。本文着重介绍 了四线并行刚构一连续梁下部桩基础计算整体 刚度、 上部结构 外荷载的取值 方法， 结构 内力的计算， 各截面的验算和配筋， 该设计对于铁路枢纽多线并行跨越道路 时的设计孔跨具 有一定参考价值。 关键 词 ： 四线并行 刚构一 连 续 梁 支座 沉 降 附加 应 力 温度 应 力 水化 热 中图分 类号 ： U 4 4 8 3 4文献标 识码 ： B 1 工 程 概 况 该桥位于黑龙江省哈尔滨市南岗区， 孔跨形式为 ( 2 0+ 2 4+ 2 0 )m连续刚构 ， 按 四线桥设计。中间双线 为客专正线 ， 两侧为动车运营走行线 。设计线路 4线 并肩等高上跨道路 ， 设计线路为 2 5 0 下坡。 2 外荷载计算及 所需参数取值 2 1 结构 自重 2 2 桥 面二 期恒载 对于两侧动车运 营线 的桥面二期恒载 ， 按桥 面宽 6 0 2 m考虑 ， 二期恒载 g=8 8 k N m； 对 于中间客专正 线桥面宽 4 9 8 i n ， 扣除人行道及栏杆后二期恒载 q= 7 8 k N m 。 2 3 设计列车活载( 见 图 1 ) IQ ： 。 ： ： 中 畸 蝎 图 1 Z K标准活载图式 ( 单 位 ： m) 2 4动 力 系数 1 ) 按 铁路桥涵设计基 本规范 中钢筋混凝 土刚 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 2 - 1 3 ； 修 回日期 ： 2 0 1 1 0 3 - 1 1 作者简介 ： 项育德( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 河南南阳人 ， 助理工程 师。 架桥动力 系数 的计算 ： 1+肛=1+ 6 ( 3 0+L ) ， 边 跨 ： 1 + =1+1 2 6 5 0=1 1 4 ； 主跨 ： 1+ =1+1 4 6 5 4=1 1 3 ， 式 中 ， 为 动 力 扩 大 系 数 ， o为 安 全 系 数 ， 为计算跨径。 2 ) 按 新建时速 2 0 02 5 0 k m客货共线铁路设计 暂行规定 中规定计算弯矩 、 剪力动力系数 ： 弯矩动力 系数 = 0 9 9 6 ( L 0 一 0 2 )+0 9 1 3 ；剪力动力 系数 ： =1 4 9 4 ( L o 一0 2)+0 8 5 1 ， 式 中 ， L 为 加 载 长 度 。 综合考虑采用 ： 弯 矩动力 系数 ， =1 1 5 ， 剪力动 力系数值为 =1 1 1 。支座的动力系数与上述相同 ， 实体桥墩不计动力系数。 2 5混凝 土收 缩 根据 铁 路 桥 涵 设 计 基本 规 范 ( T B 1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 ) ， 整 体 浇 筑 钢 筋 混 凝 土 构 件 ， 按 混 凝 土 降 温 1 5计 。 2 6 支 垫沉 降 设计时支座不均匀沉降按照不大于 1 0 m m考虑。 2 7制 动力或 牵 引力 采用 桥上 所 加 静 活 载 的 7 ， 然 后 平 均 分 配 到 与 梁固结的各个桥墩上。本桥只计两线制动力。单线制 动力 和牵 引力 为 3 1 8 5 k N。 2 8温 度力 拟定桥梁施工温度为 1 0 ， 考虑桥址所在地为哈 尔滨市南 岗区， 冬季温度较低 ， 温度力按升温 l 5 ， 降 温 3 0考虑。 2 9风 力 根 据 地 质 报 告 ： 桥 址 处 年 平 均 风 速 2 8 3 9 m s ， 主导风向为南西风， 最大定时风速 1 3 3 m s 。 2 2 铁道建筑 计算基本风压值 W。 =( 1 1 6 ) v 2=1 1 0 P a ( V为最大 风速) ， 低于在“ 全国基本 风压分布 图” 中查得哈尔滨 市 。=6 0 0 P a 。按 。=6 0 0 P a计 ： 风 荷 载 = K 。，其 中， 为风载体形 系数 ， 为风压高度 变化系数 ， 墨 为地形条件系数。 K 1 =1 2 ， K 2 =1 0 ， K 3 = 0 9 ， W= 6 4 8 P a ； 平均梁高 1 5 3 m； 列车高 3 m。梁体加载 2 9 5 k N m， 桥墩加载 0 78 k N m 。 2 1 0长钢 轨纵 向力 刚构一连续梁按位于伸缩区， 计算如下内容 ： 伸缩力 T ， ：Q L= 7 0 6 5 0 0 1 0 0 0= 4 5 5 k N 挠曲力 ：Q = 7 0 6 5 0 0 1 0 0 0= 4 5 5 k N 断轨力 T 3 =Q L=1 1 0 6 5 0 0 1 0 0 0= 7 1 5 k N 式中， q为单位伸缩力 ( N e m) ， L为总桥长( c m) 。 根据无缝线路纵向力组合原则： 应取伸缩力 4 5 5 k N为纵 向力主力 ； 断轨力 7 1 5 k N 为纵向特殊荷载。 2 1 l 列车横 向摇 摆 力 横 向摇摆力为 1 0 0 k N， 作为一集 中荷载于最不利 位置 ， 垂直线路作用于钢轨顶面。本桥为 四线四幅梁， 加载所有线路横 向摇摆力。 2 1 2离心 力 采用“ 支点反 力法” 计算 离心力 ： 上部 结构仅 在 Z K活载的作用下产生的支反力 离心力系数， 得 中支 点 6 2 k N， 边支 点 2 6 k N。 2 1 3 验算荷载 运梁车荷载计算图式见图 2 。 山 山 山 L l j ! 1 卜 ( a ) 顺桥向 l 0 O l 0 0 ( b )横桥向 图 2 运梁车活载 图式 ( 单位 ： e m) 2 1 4 荷载 组合 主力 、主力与横 向附加力组合、 主力与纵 向附加 力组合。 3 桥梁结构 梁部 、 桥 台、 薄壁墩 ： 梁 端及 跨 中截 面梁 高 1 4 5 m， 支点梁高为 2 1 5 m； 支点处墩厚 1 2 0 n l ， 纵桥向梗 腋长 2 5 m。边梁顶板宽 6 0 3 m， 底板宽 4 9 9 m， 为 一 侧有翼缘箱梁截面 ； 中梁顶底板均 宽 4 9 8 m， 为矩 形截面。薄壁墩厚 1 2 0 m， 与线路正交双线 四幅梁分 幅设置 ， 梁与梁之间、 墩与墩之间保留 2 e m的施工缝 ， 并填塞沥青木板， 共用一个承台。 4 设计计算方法和结果 4 1结构 模 拟 4 1 1 结构_ 内力 主要采用通用有限元 软件 MI D A S对刚构梁进行 结构内力分析计算 。 4 1 2 计算步骤 1 ) 因为是正交模 型， 采用梁 单元建立 四线模 型， 共用一个加 台及承 台。四线模 型分 四幅梁分别为 ： 边 1 梁 、 中 1梁、 中 2梁、 边 2梁设置 ， 梁与梁之间保 留 2 e m的梁缝 ， 中间填塞沥青等填充物。四幅梁对应 四幅 墩边 1墩 、 中 1 墩 、 中 2墩 、 边 2墩 。空 间模 型见 图 3 。 图 3 MI D A S空间模 型示 意 2 ) 外界约束： 中墩基础边界约束条件按弹性约束 进行分析， 弹性约束是在刚壁墩承 台底节点上加上六 个方向的弹簧刚度 以模拟基础的弹性变形。 弹簧刚度根据桩基形 式和地质条件确定 ， 并采用 迭代的方法计算 ： 第一步确定桩长： 首先 ， 假定承台 底固结 ， 计算承台底支反力 ， 用此支反力计算桩长 ( 此 时计算需桩长 5 3 1T I ) ， 用所得桩长及地质条件计算该 桩 长下 承 台底 刚 度 ， 将 其 刚 度 带 入 承 台底 的 “ 节 点 弹 性支撑” 替换以前 固结支撑 ； 再次计算承台底支反力 ， 重新计算桩长 ( 此时计算需桩长 5 1 m) 。第二步计 算最终 刚度 ： 按计算桩 长 5 1 n l 时计算最终承 台底 刚 度 ， 以此刚度作为基底弹性约束。 4 2 结构计算 4 2 1 主梁控制截面挠度及梁端转角 为满足旅客列车舒适性 ， 梁体的各个方 向变形应 满足 新建时速 2 0 0 2 5 0 k m客货共线铁路设计暂行 规定 6 3中的各项规定 ， 见表 1 。 结构尺寸对梁体 的横竖向刚度均满足要求 ， 本桥 可不设置梁体预拱度。 2 0 1 1年第 6期 哈大客专 四线钢筋混凝土连续刚构设计 2 3 表 1 结构纵横 向变形及 限值 4 2 2边 支座反 力计 算 本桥仅在两侧边墩设置支座 ， 支座反力见表 2 。 表 2 支座反 力 k N 注 ：每 幅梁 端 采用 两个 2 5 0 0 k N支 座 。 4 2 3 支座 沉 降产 生的 附加 应 力 桥址属松辽平原北部 岗阜状 冲积平原地貌 ， 地层 以粉质黄土 、 粉细砂为主 ， 桩基础长度深达 5 1 m， 因此 应该确定基础沉降所产生的附加应力 ， 控制基 础沉 降 值 ， 确保结构安全。全桥( 2 0+2 4+2 0 )m， 因 0 0 1 m 不均匀沉降产生的附加应力云图见图 4 。 = 苫 = g 塞 苫 m蔼 l 疆 囊 觥 1 - 6 1 M P a 1 6 1 MP a 图 4 支座沉降产生 的附加应力 云图( 单位 ： k P a ) 小跨度连续刚构 因跨度较小 ， 不均匀沉降所产生 的附加应力 占的比重较大 ， 且最大应力位置与全桥正 应力图( 图 7 ) 中最大应力位置一致 。在本桥设计 中桩 基础不均匀沉降最大值为 0 0 0 8 m， 小于结构计算参 数 0 0 1 0 m， 可保证结构安全。具体应力值及所处结 构位置见表 3 。 表 3 基础 沉降产 生的附加应力 MP a 距支点3 0 m( 边跨侧)距支点 2 5 m( 中跨侧) 刚臂墩顶 4 2 4严 寒地 区温度应 力 哈尔滨是我国较为严寒 的地 区， 在该地 区修建结 构物时应注意年温差所产生 的温度应力影 响， 本桥按 降温 3 0 。 计算 ， 应力云图见图 5 。 ： 图 5 降温 3 0 。 时全桥应 力云图( 单位 ： k P a ) 降温收缩时对主跨产生的温度应力最大拉应力为 0 5 1 M P a ， 位置在中跨跨 中； 对刚臂墩产生的最大拉应 力为 2 2 1 M P a ， 位置在刚臂墩的墩底。 因为边支座为 D X、 Z X支座 ， 对降温收缩时的纵向 位移没有约束作用 ， 降温时产生的应力全部 由刚臂墩 承担 ， 因此在配筋时对刚臂墩墩底 2 5 m范围内加密。 4 2 5 结构 弯矩 包络 图 主力作用时 ， 从弯矩包络 图中可以看 出， 边跨跨 中截面最大正弯矩为1 8 8 8 5 k N m， 中墩支点最大负 弯 矩 为 2 5 5 0 2 k N m，中 跨 跨 中 最 大 正 弯 矩 为 8 9 8 1 k N m， 刚臂墩的最大 、 最小弯矩为 3 8 9 5 k N m、 一 5 1 7 7 k N m， 见 图 6。 注 ： 衙 载 工 况 为 目重 十二 期 恒 载 +四线 活 载 +收 缩 混 凝 土 +支垫沉降 +离心力 + 摇摆力 图 6 梁单元弯矩包络云 图( 单位 ： k N m) 4 2 6截 面应 力 本桥为钢筋混凝土结构 ， 横截面上 的正应力和斜 截面上的主应力对截面配筋形式和配筋数量以及受拉 区裂缝宽度计算 ， 都是最关键的制约。 1 ) 全桥结构正应力云图。 通过梁单元拉应力云 图( 图 7 ) 可以看 出， 不配筋 时 ， 刚构一连续梁 结构混凝 土组 合拉应 力最大值 为 薰 。 鼓 殛 避 繇 疆 鬻 疆 薯 P M M 荸 一 m 嚣 鼹 壤爨虢躐辫辫鍪 铁道建筑 注 ： 荷载工况为主力 +纵 向附加力 +降温 3 0 。 时的温度力 图 7 梁单元 正应 力图( 单位 ： k P a ) 5 6 7 MP a ， 位置与沉降时最大应力位置相同， 距中支点 3 0 m处。因此在支点顶面配筋时 ， 部分钢筋截断位 置必须超出支点 3 0 m 以外， 本设计顶面钢筋图中部 分钢筋截面位置伸出支点 5 5 m处。 2 ) 根据各控制截面 的内力 ， 计算所需 的受拉、 受 压 区钢 筋面 积 ( mm ) ； 并检 验混凝 土压 应力 ( MP a ) 、 钢 筋 拉应 力 ( M P a ) 及裂 缝宽 度 ( mm) ， 见表 4 。 表 4 截面 配筋量及裂缝宽 度验算值 4 2 7水 化 热 分 析 根据有关规定规范及相关要求 ， 介绍一下施工 中 如何控制大体积混凝土内外温差 ， 减少温度裂缝 ： 利用 水循环即冷却管来降低 内部 温度 ， 设计 中在承台布设 一 层冷却管 ， 实际施工中将会布设两层冷却管降温； 混 凝土表面的保湿和保温 ， 方法是在混凝土浇筑完成后 一 个小时内在表面覆盖几层棉毡和塑料膜 ， 并不间断 洒水养护。 5 结 语 钢筋混凝土结构带裂缝工作 ， 结构 的质量很大一 部分因素取决于施工质量 。因此 ， 本桥支架现浇施工 时， 满堂支架 的预压 、 墩身和梁体浇筑的顺序 、 钢筋绑 扎及 焊接方 式 、 合 理 的施工 温度 的选取 、 混凝 土级 配集 料的选取 、 用水量、 捣 固密实度 、 承台设置冷却管参数 等施工 事项 均应 满足 相关 的规范 规定 。本桥 施工 图设 计 中详细地规定了上述要求， 并在 支点处添加纤维素 纤维用 以提高整体性能和抵抗裂缝产生。 参 考 文 献 1 中华人民共 和国铁 道部 T B I O 0 0 2 1 2 o 0 5 铁路桥涵设 计 基 本规 范 s 北京 ： 中国铁 道出版社 ， 2 0 0 5 2 中华人 民共 和国铁 道部 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 铁路桥涵钢 筋 混凝 土和预应力混凝 土结 构设计规范 s 北京 ： 中国铁道 出版 社 ， 2 0 0 5 3 中华 人民共 和国铁 道部 T B 1 0 0 0 2 5 2 O 0 5 铁路桥涵地 基 和基础设计 规范 s 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 4 中华 人民共 和国铁 道部 铁建设 函 2 0 0 5 1 4 0号 新建 时 速 2 0 0 2 5 0 k m客货共线铁路设计 暂行 规定 s 北京 ： 中国铁 道 出版社 ， 2 0 0 5 5 苏伟 ， 王俊杰 秦沈客运专线 刚构连续梁桥设计 J 铁道标 准设计 ， 2 0 0 1 ( 1 1 ) ： 1 2 1 4 6 马胜 双 铁路客运专线斜交 刚构连续梁 桥设计研 究 J 铁 道标准设计 ， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ： 1 2 1 6 7 王军 斜拉桥承 台大 体积混凝 土水化热 三维有 限元 分析 研 究 J 交通标准化 ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 9 7 1 0 0 8 王新 刚 A N S Y S 计算 大体积混凝 土温度场 的关键技术 J 中国港湾建设 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 1 8 2 1 9 陈心爽 材料力学 M 上海： 同济大学出版社， 1 9 9 6 1 0 单建 结构力学 M 南京 ： 东南大学出版社 ， 2 0 0 4 ( 责任审编 白敏华)