型钢混凝土框架桥顶板厚度及含钢率对顶板设计的影响.pdf

2 0 1 5年第 1 2期 铁道建筑 Rai l wa y En g i n e e r i ng 29 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 1 2 - 0 0 2 9 0 4 型钢混凝土框 架桥顶板厚度及含钢率 对顶板设计 的影响 马冬冬 ， 李 家稳 ， 吴凤娇 ( 北方工业大学 土木 工程学院 ， 北京1 0 0 1 4 4 ) 摘 要 ： 为研 究型钢 混凝 土 结构 用 于大跨 度 顶进 框 架桥是 否 能减 少框 架桥 截 面尺 寸 ， 减 轻 结构 自重 ， 结合 实际工程案例 ， 以框 架桥顶板厚度和型钢含钢率为控制 变量， 分析框架桥在不 同顶板厚度和含钢率条件 下 的最 大挠度 和截 面 内力 ， 为 型钢混 凝 土结 构在框 架桥 的 应 用提 供依 据 。分析 结果表 明 ： 型钢 混凝 土框 架桥 项板 最 大挠度 随 顶板厚 度 的增 大 而减 小 ； 截 面承 载 能 力 随含钢 率 的 增加 而增 大 。在 满足 列车荷 载 要 求的前提 下 ， 型钢 混 凝 土框 架桥 顶 板厚 度 比 同跨 度 的钢 筋混凝 土框 架桥 有 效减 少。 关键 词 ： 型钢 混凝 土 框 架桥顶板 厚度含 钢 率 承栽 力 中 图分类 号 ： U 4 4 2 5 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 - 1 9 9 5 2 0 1 5 1 2 0 8 顶进框架桥作为改造铁路与公路平交道 口的一种 结 构形 式 ， 相对 于 上跨 铁 路 立 交 桥 而 言 ， 在 施 工 难 度 、 工程造价等方面表现 出明显的优势， 往往为城市建设 者 的 首选 。虽 然 在 建 或 者 已 建 成 的框 架 桥 几 乎 全 都 是 钢筋 混凝 土结 构 ， 但 由于框 架桥 本身 自重 较 大 ， 顶 进 施 工 十分不 便 ， 施 工 过程 中路 基 塌 方 、 路 基 隆 起 、 顶 进线路偏移等问题 时有发生 ， 严重影响了铁路运输 的 正 常 进行 。 型钢 混凝 土 ( S t e e l R e i n f o r c e d C o n c r e t e ， S R C) 综 合 了钢结构和混凝土结构特性 ， 具有承载能力高、 结构刚 度大 、 截面尺寸小等诸多优点 ， 已经在建筑结构中被广 泛应用 。然而在框架桥 中， 型钢混凝土的应用鲜有 研 究 ， 铁路 桥 涵 的相关 规 范 中对 型 钢结构 也很 少 涉及 。 如 能 将 型钢混 凝 土结 构 引 入 到 大跨 度 框 架 桥 中 ， 充 分 发 挥 型钢 混凝 土结 构 的优 点 ， 则 将 大大减 少结 构 自重 ， 从而降低施工难度 ， 节约施工成本。 因 为型钢 混凝 土 梁 的承载 优势 是 随着跨 度 的增加 而体现得更加明显 ， 故本文选取以大跨度( 1 6 m) 框 架桥为研究对象 ， 通过借鉴钢筋混凝土框架桥 的实 际 工 程 经验 ， 拟定 型 钢混凝 土框架 桥顶 板 的截 面尺 寸 ， 对 不 同顶板厚度及型钢尺寸条件下的型钢混凝土顶板承 载能力进行分析计算 ， 研究型钢混凝 土结构应用于顶 进 框架 桥 的可 行性 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 2 3； 修 回日期 ： 2 0 1 5 0 9 2 3 基金项 目： 国家 自然科学基 金一 高铁联合基金 ( U1 4 3 4 2 0 7) 作者简 介 ： 马冬冬 ( 1 9 8 9 一) ， 男 ， 硕士研究生。 1 力学计算原理分析 鉴于 目前型钢混凝土框架桥几乎没有相关工程经 验可 供参 考 ， 故 在选 取 顶 板 厚度 时参 考 不 同结 构 形 式 桥梁的高跨比以及钢筋混凝土框架桥截面尺寸 ， 确定 型钢 混凝 土框 架桥 顶 板 厚度 的合 理 范 围 ； 通 过计 算 比 选出某一相对适合的厚度 ， 研究不 同含钢率条件下 的 承载 能力 。通 过对 比分 析给 出在本 模 型下 型钢混 凝土 框架 桥顶 板 的合理 厚度 及含 钢率 。 根据 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝 土结构 设计规范 ( T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ) 8 2 1中规定 ， 框架式 结构可以按框架 截取单元计算 。考 虑到型钢混凝 土结 构 的构造 要求 ， 取 0 5 i n顶板 宽 度 作 为平 面变 形 结构计算 。框架桥可以看作是支撑在弹性地基上的空 间结构， 在仅分析顶板受力情况时， 为简化计算 ， 将框 架桥 的墙体和顶板视为多跨单层刚架。即简化成求解 0 5 m板 宽 内的 单 层 刚 架 梁在 荷 载 作 用 下 的 内力 值 。 以两 孔为 例 ， 其 计算 简 图如 图 1 所示 。 图 1 框架 桥顶 板力学分析计 算图式 3 0 铁道建筑 2 有 限元计算 原型框 架桥 工程 为下 穿某铁 路框架 桥 。采用 两孔 连体式框架结构 ， 净跨 2 - 1 6 m， 框架桥与所下穿两条 铁路正交 ， 两铁路线间距 5 m。框架桥顶距离铁路钢 轨 底面 0 8 0 m， 顶板厚 1 0 5 m， 底板 厚 1 1 5 m， 边 墙厚 1 0 5 m， 中墙 厚 1 0 0 m。 2 1 顶板 截面 尺寸 的选择 顶进 框架 桥 的顶 板直 接承受 列车 、 轨道 、 路基 等荷 载作用 ， 是桥体最 主要 的受力部分 ， 而且根据设计经 验 ， 顶板的厚度也直接影响框架桥墙体和底板厚度 的 选 取 。所 以 ， 选择合 理 的 顶板 厚 度 是 框架 桥 结 构设 计 的关键 。 在桥梁设计中， 不 同桥梁形式的高跨 比是不一样 的 ， 如表 l 所示 。 表 1不同桥 式的高跨 比 对于连续刚构桥来说 ， 主梁一般采用箱形截面， 箱 梁根部截面高跨 比一般为 1 1 61 2 0 ， 跨 中截面梁高 通常为支点截面梁高的 1 2 51 3 5 4 - 5 。 根据工程设计经验 ， 跨度为 1 6 m的钢筋混凝土框 架桥， 在普通列 车荷 载作用下 ， 顶板厚度取 值一般 为 1 01 1 m。若要体 现 型 钢 混凝 土 框 架 桥 的优 势 ， 参 考 混凝 土简支 梁和 连续 梁 的高跨 比 ， 在 顶 板 厚度 选 择 时 ， 高跨 比取值 范 围为 1 1 61 2 5 。则 对于 每 孔 净跨 1 6 m， 顶板厚度的取值范 围为 0 6 41 0 0 m。 根据 顶 板 厚 度 的 取 值 范 围 ， 选 取 7 0 0 ， 7 5 0 ， 8 0 0 ， 8 5 0 ， 9 0 0 m m 进 行研 究 分析 ， 通 过 截 面含 钢 率 、 型 钢 间 距 等变化 比较 各厚 度顶 板 的截 面 承载 力 ， 选 择 最合 理 的顶板厚 度 。 2 2 有 限元模 型计 算 有限元模 型采用 Mi d a s C i v i l 建立。混凝 土选用 C 3 5， 型钢种类 采用 Q 2 3 5 ， 钢筋 采 用 H R B 3 3 5 。顶板 采用梁单元 ， 单元 长度 1 1T I 。顶板截面形式及配筋如 图 2所 示 。 图 2 顶板截面形式及配筋 ( 单 位 ： mm) 荷载除了自重 、 桥面铺装外 ， 活载采用规范中的铁 路标 准 活载 ， 即“ 中一活 载 ” ， 并 根 据 规 范 附录 中换 算 均 布活 载加载 。边界 条件 均为 固定端 约束 。 2 3 计算 结果 与分析 内力、 位移计算结果如表 2所示 。 表 2 内力及位移计算结果 根据表 2计算结果可 以看出， 截 面的厚度变化对 其在荷载作用下产生的弯矩和剪力变化影响不大 ， 而 对竖 向位移的变化影响很大。根据 铁路桥涵设计基 本规范 ( T B 1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 ) 第 5 2 1规定 ， 连续钢 筋混凝土梁由于列车竖向静活载所引起的竖向最大挠 度 不能 超过 L 8 0 0， 本 文 参 照 框 架 桥 ， 根 据 其 跨 度 ， 竖 向最大 挠度值 为 2 0 mm。则 根据 表 2 ， 板 厚 为 7 0 0 m m 的型钢混凝土梁 ， 其挠度值已超过规范要求； 而板厚为 7 5 0 m m的型钢混凝土梁 ， 其挠度值也非常接近规范容 许 值 。所 以对于 1 6 m跨径 的型钢混 凝土框 架桥 来说 ， 顶 板厚度 不宜 小于 7 5 0 m m。 3 不同截面正截面受弯承载力计算 通 过前 述分 析 ， 虽然 8 0 0 ， 8 5 0 ， 9 0 0 m 11 l 的 顶板 厚 度满 足本模 型下 的型钢 混凝 土框架 桥 的最大竖 向挠度 要求 ， 尚需 进行正 截 面受弯 验算 。 2 0 1 5年第 1 2期 马冬冬 等 ： 型钢混凝土框架桥顶 板厚度及含钢率对顶板设计 的影 响 3 1 3 1计 算理 论 型钢 混凝 土 梁 的受弯 性能 与钢 筋混 凝土 梁 相 比有 很大差异。其受弯承载能力计算的基本假定 ： 梁变 形后截面的平均应变符合平截面假定 ， 不计型钢和混 凝土之间相对滑移 ； 截面受拉区的拉力全部 由型钢 和 钢筋 承担 ， 不 考 虑受拉 区混凝 土 的受力作 用 ； 取 受 压 边缘 混凝 土 的极 限 压 应 变 为 0 0 0 3 ， 最 大 压 应 力 取 混 凝 土轴 心抗 压强 度 设 计 值 ， 受 压 区应 力 图 简化 为等 效矩形应力图； 型钢腹板的应力图取拉 、 压梯形应力 图， 计算 时简化为等效矩形应力图 ； 受拉钢筋和型钢 受拉翼缘的极限拉应变取 0 0 1 ； 不考虑型钢板件 的 局 部 屈 曲 。 计算 时 把 型 钢 翼 缘 作 为 纵 向受 力 钢 筋 考 虑 ( 图 3 ) ， 破 坏 时上 、 下翼 缘 达 到屈 服 强 度 和 。此 时 ， 型 钢腹板承受的弯矩为 M ， 由平衡条件得基本方程 M 叫 h 。 一 ) + f y A ( 。 一 n ) + A ( 。一o )+ ( 1 ) 当 6 - h 。 1 时 ， 占 ， f 3 1 一， y s I J t | ， ， J l I b 【“ 图 3正截面受 弯承载力 计算 图式 = 1 。 2。 + 6 ) 一 ( 6 + 6 ： ) + 2 s + ( 1) h 2 ( 2 ) 式 中： 符号除见 图 3外 ， 为等效受压 区高度与受压 区高 度 之 比； s 为 相 对 受 压 区 高 度 ； 为 型 钢 腹 板 厚 度 。 3 2 含钢率相近时的计算 按 照表 2中型钢 混凝 土框架 桥 截面尺 寸 和型钢 型 号， 计算正截面受弯承载力。计算结果见表 3 。 表 3正截面 承载 力计 算 从表 3可 以看出 ， 在型钢和混凝土共 同作用下 ， 其 截面 承载 力 已经远 超 出荷 载 所 产 生 的 内力 值 ， 而 且 随 着截 面尺 寸 的加 大 ， 承载 能力 增加 的趋 势也 十分 明显 。 综合 分 析表 2 、 表 3 ， 对 于本 模 型所 采 用 的 跨 径 下 的型 钢混 凝 土 ， 顶 板厚 度 选择 以 8 0 0 9 0 0 m m 为宜 。 3 3含钢 率 不 同时 的计算 不难 看 出 ， 表 3中 截 面配 置 的含 钢 率 显 然 会 造 成 截 面承载 能 力过 大 ， 显 得 不 够 经 济 。为 选 择 合 理 型 钢 含钢率 ， 在满足型钢混凝土 构造规范 的前 提下 ， 针 对 8 0 0 m m 6 0 0 m m 的截 面 尺 寸 选 择 型 钢 型 号 ， 以 验 证 不 同 含 钢 率 时 的 截 面 承 载 力 。截 面 纵 向 钢 筋 为 H R B 3 3 5 ， 直径 2 0 m m； 箍 筋 为 H P B 3 0 0 ， 直 径 1 0 m m。 计算结果见表 4 。 从 表 4的计算 结果 可 以得 到 ， 型 钢采用 5 0 0 mm 1 5 0 m m， 即含钢率为 2 1 5 时 ， 型钢混凝土梁的截面 抗 弯 、 抗 剪承 载力 已经 可 以满足恒 载及 列车 荷载 需要 。 再 结合表 3中 的数 据 ， 虽 然 减 小 型 钢混 凝 土 梁 的 截 面 高度会减小其承载能力 ， 但考虑到框架桥在荷载作用 下产生的内力值 ， 采用表 4中的设计参数无疑更加合 理 、 经济 。 表 4不 同含钢 率下截面承载力计算结果 3 2 铁道建筑 3 4 抗剪 计算 为防止梁发生斜压破坏， 控制梁裂缝开展的宽度 ， 需要确定合理 的构件截面尺寸 ， 以控制梁 的剪压 比。 梁的受剪截面应符合 以下条件 b 0 4 b h o ( 3 ) 式中： I ， b 为剪力设计值 ； 卢 为混凝土强度影响系数 。 为避免含 钢率过小 ， 梁 的受剪截 面应符合 以下 条 件 0 1 0 ( 4 ) 6 。 式中 ： h 为型钢腹板高度 。 代入本例中相关数据 ， 计算得 = 6 7 6 2 9 k N 0 4 0 卢 b h 。= 0 4 】 1 6 7 6 0 0 68 5 ： 2 7 4 5 48 kN t h 21 5 1 0 46 8 6 0 1 6 7 6 0 0 6 8 5 = 0 1 4 6 6 01 0 故满 足条 件构造 要求 。 4 结论 本文 为 研究 型 钢混 凝 土结 构 用 于大跨 度 ( 1 6 m) 顶进框架桥能否有效减少截面尺寸的可行性 ， 结合某一实 际工程 ， 利用 Mi d a s C i v i l 建立相 同跨径 ( 2 1 6 m) 的框架桥有限元模型， 计算 出荷载作用下的 最 大 内力值 。以框架 桥截 面顶 板厚度 和含 钢率 为控制 变量 ， 计算不同厚度和含钢率下型钢混凝土梁的截 面 承载力 。通过对 比分析 ， 得到本模型下型钢混凝土梁 的截 面尺 寸 、 型 钢含 钢率对 结构 承载能力 的影 响规 律 ， 提 出适 用于本 文工程 案例 下 的型钢混 凝土框 架桥 顶板 的合理厚度和型钢型号。 经计 算 ， 本 文参 考 的原 型 钢 筋混 凝 土 框架 桥 自重 约 为4 0 3 8 0 k N( 钢 筋 混凝 土重 度 取 2 6 k N m ) ； 而 使 用型钢混凝土结构 ， 当顶板厚度取 8 0 09 0 0 mm时 ， 框架 桥 自重约 为 3 2 7 4 0 3 5 6 4 0 k N。 对于大跨度顶进框架桥 ( 1 6 m) 来说 ， 采用 型钢 混凝土结构可以有效减轻结构 自重， 降低施工难度 ， 节 约工程造价 ， 从理论上说 明将型钢混凝土结构用 于大 跨度顶进框架桥是一种可行方案 ， 具有进一步研究前 景 和工程 应用 价值 。 参 考 文 献 1 李家稳 地道 桥设计 与施 工 M 北京 ： 中国铁道 出 版社 ， 2 01 1 2 陈世呜 钢一混凝土 组合结构 M 北京 ： 中国建筑 工业 出 版 社 ， 2 0 1 2 3 中华人 民共 和 国铁 道部 T B 1 0 0 0 2 1 2 0 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 4 邵旭东 桥梁工程 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 3 5 闫晓夏 ， 柯 在田 ， 徐玉 胜 ， 等 朔黄铁 路 3 2 m超低 高度预 应 力混凝土简支 T梁适 应 3 0 t 轴重货 车加 固改造 分析 J 铁道建筑 ， 2 0 1 4 ( 1 1 ) ： 1 5 6 中华人 民共和 国建设部 J G J 1 3 8 2 O 0 1 型钢 混凝土组 合 结构技术规程 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 I n f l ue n c e o f t h i c k n e s s a n d r e i n f o r c e me n t r a t i o o f t o p p l a t e o f s t e e l r e i n f o r c e d c o nc r e t e f r a m e b r i d g e o n t o p p l a t e d e s i g n MA D o n g d o n g ， L I J i a w e n ， wU F e n g j i a o ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， B e i j i n g 1 0 0 1 4 4， C h i n a ) A b s t r a c t ： I t i S s i g n i f i c a n t t o s t u d y w h e t h e r s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e( S RC)s t r u c t u r e c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e s e c t i o n s i z e a nd s e l we i g ht o f f r a m e b r i d g e wi th a l a r g e s pa nI n thi s pa pe r，t he th i c kn e s s of t o p pl a t e a nd r e i nf o r c e me nt r a t i o a r e c o nt r o l l i ng v a r i a b l e s The ma xi mum de f l e c t i o n a n d inne r f o r c e a t c r i tic a l s e c tio n s we r e a n a l y z e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma x l l n u m d e f l e c ti o n o f t h e t o p p l a t e o f the S RC fra me b r i d g e d e c r e a s e s a s i t s t h i c k ne s s inc r e a s e s， a n d t he b e a r i ng c a p a c i t y i n c r e a s e s a s th e r e inf o r c e me nt r a t i o i n c r e a s e s On the p r e m i s e o f m e e t i ng t h e r e q ui r e me nt s o f t r a i n l oa d s， the t hi c k ne s s o f t he t o p p l a t e o f t he S RC fra m e b r i d g e ma y b e s ma ll e r t ha n t h a t o f t he p l a t e o f t h e r e inf or c e d c o n c r e t e b r i dg e Ke y wo r d s ： S t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； F r a me b r i d g e ； Th i c k n e s s o f t o p p l a t e ； Re inf o r c e me n t r a ti o； Be a r i n g c a p a c i ty ( 责任 审编 孟庆伶)