钢筋混凝土刚构桥的设计体会
2010-07-08
1.概述
该桥为某运煤铁路专用线与下广公路（一级）的立体交叉构造物，桥轴线与下广公路中线斜交，后改正为正交进行毕业设计。该桥两端分别与车站毗邻，轨底标高已经确定。公路中间隔离带宽2.0m，下广公路净宽远期规划：（9+12+12+9）m。
2.桥型特点
承受重荷，设计由净高控制，桥型选定为钢筋混凝土无梁板刚构桥。
钢筋混凝土刚构桥是一种由桥跨结构与墩台联成一体的刚性结构。在竖向荷载作用下，墩底不仅存在竖向反力，也存在水平反力。对于无铰刚架，还存在弯矩及水平反力和剪力。目前多跨连续刚构桥发展很快，由于它不需大型支座且线性均匀等系列优点，故在经济技术比较时常胜于连续梁桥。刚构桥以多跨连续最为常见，下广公路立交桥由于受到下广一级公路的限制加之地质勘测无不良地质现象，设计采用无梁板连续刚构桥。
由于梁体连续使主梁端部产生了负弯矩，使主梁跨中弯矩减小从而可以使梁的截面变小，减少混凝土用量，但桥梁及支柱的尺寸构造需按规范确定。
钢筋混凝土刚构桥是一种由桥跨结构与墩台联成一体的刚性结构。在竖向荷载作用下，墩底不仅存在竖向反力，也存在水平反力。对于无铰刚架，还存在弯矩及水平反力和剪力。目前多跨连续刚构桥发展很快，由于它不需大型支座且线性均匀等系列优点，故在经济技术比较时常胜于连续梁桥。刚构桥以多跨连续最为常见，下广公路立交桥由于受到下广一级公路的限制加之地质勘测无不良地质现象，设计采用无梁板连续刚构桥。
由于梁体连续使主梁端部产生了负弯矩，使主梁跨中弯矩减小从而可以使梁的截面变小，减少混凝土用量，但桥梁及支柱的尺寸构造需按规范确定。
3.荷载
对于荷载的计算，主要包括结构自重、列车荷载、制动力、风力、温度力、混凝土收缩力及}昆凝士徐变。在计算列车荷载时，由于铁路“中—活载”较大，在桥跨上行车时，有很大的冲击力，所以必须计入冲击系数。刚构桥是一种超静定结构，因而温度力、混凝土收缩力及混凝土徐变都将产生次内力，在某些情况下，这些次内力将很大，必须加以考虑。
按《铁路规范》规定，对于钢筋混凝土收缩力，按降温15℃ ～20℃计算混凝土收缩变形产牛的次内力，即计算混凝土收缩值为0.000 15～0.000 2，混凝土收缩变形引起次内力的同时，混凝土徐变也随之产生，由于混凝土徐变的影响，收缩次内力将会减小，因此，国外有考虑徐变的计算混凝土收缩内力的建议方案，但计算较复杂。
同时，混凝土收缩变形还受当地气候温度的影响。由于钢筋的存在，使混凝土收缩变形受到约束，钢筋和混凝士之间将产生鹿力重分布，但在现行规范中这些因素都未加考虑，本设计中也未考虑混凝土徐变的影响。
另外，混凝土收缩对支柱的影响比较小，所以，在本设计中，未考虑支柱的收缩对结构的内力影响。
温度变化对结构的影响是复杂的，因为：温度本身变化呈现某种周期性变化；不同材料、不同尺寸及不同部位的构件对温度变化的反应是不同的；温度变化往往伴随着混凝土收缩和徐变、互相联系等等。目前在设计超静定钢筋混凝土时，普遍还是采用近似简化的计算方法来考虑温度变化的影响，温度变化对结构内力的影响分为下面两种情况：
(1)均匀的温度变化，即全结构温度变化相同。这种温度变化会使超静定刚架产生次内力。
(2)不均匀的温度变化，结构不同部位、不同构件的温度变化不同，在结构内部产生了温度力，因而使结构产生次内力。
温度均匀变化在超静定刚架桥中产生的次内力其计算方法与收缩次内，相同，只需将收缩变形代之以温度变化的变形，非均匀温度变化产生的次内力主要指梁顶和梁底的温差，支柱阴阳面的温差。由丁本桥主梁的厚度较小，本设计未予考虑。
内力计算中，由于计算机程序的发展，使计算更加简便、精确。可由计算机程序自行完成，按两种主力、附加力组合进行。
主力：结构自重+混凝土收缩力十中一活载。
附加力：1)温升十制动力+风力；2)温降+制动力+风力。
刚构桥的节点即支柱与梁连接的地方，内力比较复杂，很难精确计算，只能在结构理论的基础上进行一些简化，对内力值做m大概的计算，这也是阻碍刚构桥发展的主要因素。此次设计，应用有限单元模拟全桥，计算出的内力在支柱与粱连接的地方出现峰值，先适当折减而后用于计算。
另外，为安全起见，实际构造必须有较大的刚度，以保证主梁和支柱的刚性连接，节点和主梁连接的截面有很大的负弯矩，因此节点内缘混凝土受到很大的压应力，节点外缘的拉力由钢筋承担，力和压力形成r一对强大的对角压力，对节点产生了劈裂作用，因此节点构造应格外注意，本设计中在节点上下翼缘分别加一层12 m长的钢筋分布于主筋之间。
4.内力计算
目前，超静定体系桥梁的内力，按运营荷载作用、结构为弹性的假定进行计算。而后用算得的内力进行截面酉己筋、强度验算。
刚构桥内力的计算按如下原则进行：
(1)计算图式的轴线取支柱厚度的中分线和平分主梁跨中截面高度的水平线，对于截面高度变化较大的刚架桥，则以各面高度中分点连线作为计算图式的理论轴线。
(2)计算截面包括全部混凝土截面（包括受拉区），不计钢筋。对于T型或箱形截面，不论其顶板厚度如何，应全部计入截面。
(3)计算变位时，略去轴向力和剪力，仅计弯矩。计算张拉力作用所引起的次内力时，必须计入轴向力和剪力的影响。
(4)主梁和支柱变截面时，如果在同一构件中，最大截面惯性矩超过最小截面惯性矩的两倍时，考虑变截面影响[1]。
(5)在主梁和支柱相交接的区域，其截面惯性矩与其他地方相比大得多，可视为趋于无限大，此区域的变形实际非常小，因此在计算内力时可不考虑此区域的变形影响。
(6)当刚架置于压缩性很小的土壤中时，支柱底面可视为固定的[2]。此桥底为中等坚实土质，视为弹性支座约束。
(7)关于混凝土的弹性模量，根据现行规范的规定，截面刚度按0.8Eh计算，其中惯性矩的计算规则如下：对于静定结构——不计入混凝土受拉区，计人钢筋；对于超静定结构——计入全部混凝土截面，不计钢筋。
5.结语
(1)所进行的设计与实际贴近，有很强的现实应用价值。
(2)采用平面杆系的研究方法，手工中—活载加载方法，计算简便、可靠。
(3)采用FORTRAN 77语言编制的程序通用性强，适用于可视为平面杆系的中小型桥梁的设计、配筋。
(4)随着工程技术的发展，对钢筋混凝土刚构桥的研究会进一步向前发展，这种桥型以其白身的优越性会得到更加广泛的应用。
参考文献：
[1]铁道部专业设计院．混凝土桥[M]．北京：中国铁道出版社，2000．
[2]廖元裳．钢筋混凝土桥[M]．北京：中国铁道出版社，1997．
