时间：2013-11-29 分类：交通运输
摘要：近年来，由于城市的快速发展和列车运行速度的不断提高，在城区内既有及规划道路与铁路的交叉处，对既有铁路的更新改造越来越频繁，其主要以城市道路下穿既有铁路的形式为主。因城市道路受整体规划、已有建筑物及地形等因素的限制，此类立交桥通常采用多孔跨组合的大孔径斜交铁路框架桥。而斜交框架桥的设计是比较复杂的，在设计中需注意的问题有很多。本文首先分析了斜交框架桥的受力，然后对其配筋布置进行了说明，最后对斜交框架桥的裂缝问题进行了探讨。
关键词：斜交框架桥,配筋,裂缝,受力分析,弯矩,核心期刊投稿网
一、斜交框架桥的结构受力分析
(一)斜交框架桥的空间受力特点
与正交框架桥相比，铁路斜交框架桥必须考虑其空间效应。斜交框架桥受力复杂，随跨宽比、抗弯刚度、抗扭刚度、斜交角、荷载形式的不同而变化。铁路斜交框架桥顶板往往不仅承受弯矩、剪力，还要承受扭矩。均布荷载作用下，荷载最大弯矩方向并非沿垂直于上部线路方向，最大弯矩随着斜交角的增大有从跨中想钝角部位移动的趋势。对于斜交框架桥，由于斜交，纵向弯矩减小，均布荷载作用是比集中荷载作用时减小量更显著。横向弯矩比同跨度的正交桥大好几倍。尤其是跨中部分产生的横向弯矩与正交框架桥有较大差异，甚至可能出现符号相反。斜交框架桥顶板在支承处应力分布很不均匀，钝角角隅处出现的应力可能比正交框架桥大好几倍，顶板钝角区可能会产生很大的弯矩，其数值甚至接近跨中弯矩。
(二)具体案例分析及结论
1、试验模拟
分别用MIDAS中的梁单元和板单元建立模型对框架桥进行有限元分析。梁单元采用1m长度建立模型，斜交时按斜交跨度和斜交墙厚建立模型。本案例分析单孔孔径为16m的框架桥的受力特点，按正交、斜交、斜交15°、斜交25°、斜交35°、斜交45°、斜交60°分别建立模型、计算、分析计算结果，以期得到斜交框架桥的内力岁斜交角度变化的汇率，以及斜交框架与正交框架内力的不同。
由于本案例的思路在于得出斜交角度对框架内力的影响，而框架桥由于承受的外荷载均来自土体的传递，可以都看成均布荷载，故本案例主要比较了恒载下各角度框架内力的变化。
2、试验结论
从上表分析结果看出，Mxx随斜交角度的变化有这样的规律：
(1)最大正弯矩随斜交角度的增大而增大，斜交角度每增加10°，弯矩值增加10%左右。
(2)最大正弯矩的位置随着斜交角度的增加，从正交时的跨中逐渐向顶板钝角端移动。
(3)钝角端最大负弯矩随着斜交角度的增大增加，斜交角度每增加10°，弯矩值增加迅速，增幅在20%～30%左右。
(4)锐角端最大负弯矩弯矩值随着斜交角度的增大而较小，随着斜交角度的增加，降幅比率增加。
Myy随斜交角度的变化规律：
(1)随着斜交角度的增加，Myy值越来越大，当斜交超过35°时，Myy值逐渐逐渐接近正交Mxx弯矩值
(2)最大负弯矩出现在靠近边墙处，最大正弯矩出现在跨中处。扭矩Mxy随斜交角度的增加而增加迅速，超过45°之后，扭矩超过正交跨中弯矩值。剪力Vxx随着斜交角度的增大，在钝角端逐渐增大、锐角端逐渐减小。
从以上分析可以看出，斜交框架不能只配置承受Mxx的弯矩，承受Myy的弯矩不能按构造要求配置，必须根据空间分析结果，合理配置钢筋。对于扭矩Mxy，在斜交角度超过25°之后，变为不容忽视，必须根据计算结果配置抗扭钢筋，这点工程设计中，往往容易忽视。
二、斜交框架桥的配筋布置设计
斜交框架桥在设计中，作内力计算后，布筋是重要环节，布筋中应掌握以下原则：
1、在几个主要控制截面一定要求出最大弯矩(绝对值)方向，主筋布置方向一定要与最大弯矩作用面接近垂直。
2、斜交框架桥一般在两个垂直面上都产生较大弯矩与扭矩。因此在两个方向都要布置主筋，切忌主筋布置形成钝角与锐角过大的悬殊。在全部配筋实现上述要求困难时，至少在主要控制截面布置互相垂直的主筋，因为活载位置的任意变化，导致主弯矩方向的变化，只有相互垂直的主筋在任意方向的分量才能参加承受该方向弯矩。这一点将在斜交框架桥的裂缝发生原因分析时得到证实，该桥最大主弯矩方向正好是在钝角平分线方向，而裂缝几乎垂直于钝角平分线，虽主筋数量也很可观，但事实上两向主筋在主弯矩作用面上的投影分量已经很小，不能起到控制裂缝开展的作用。
3、板内主筋必须伸入到立墙内，且与立墙内竖向主筋焊接，形成封闭形主筋，有利于抗扭，板内与自由边相交钢筋也应弯成箍筋形式，以抵抗自由边扭矩。
4、在立墙两侧面应布置一定数量的水平构造筋，以抵抗收缩力，对于多车道桥，立墙较长更应加强布筋，间距宜在10～15cm之间，采用螺纹钢筋，直径不宜过大，如立墙很长，则在设计时应将立墙分段;此外，如分两联阶段浇灌底板与立墙时，间隔时间不宜过长，立墙养护时要保证浇水降温，以防止立墙开裂。
5、如立墙侧有土压力，注意顶板与立墙固接处顶板下缘及立墙侧要布置主筋，以承受可能产生的正弯矩，立墙侧面的土压力对结构平面产生扭矩及水平推力，使结构受力更复杂。为改善框构受力，在立墙侧设挡墙。#p#分页标题#e#
三、斜交框架桥裂缝问题探讨
(一)斜交框架桥裂缝的成因
混凝土结构裂缝的成因复杂，甚至为多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。一般认为，混凝土结构产生裂纹的原因应该从设计和施工两个方面寻找。与结构受力、施工操作、环境条件和材料品质等因素有关。
1、运营阶段的结构受力裂缝成因
从空间有限元分析结果来看，既有桥运营阶段裂纹出现的位置、发展走向与结构有限元分析中最不利位置(应力值较大区域)基本吻合。可以认为这种裂纹的出现并非偶然因素引起，而是与结构受力密切相关的。
2、施工阶段的先天性裂缝成因
(1)混凝土的收缩应力
施工中为保证混凝土的和易性，往往在水泥中加入的水是水泥水化需水量的5倍左右。在混凝土初凝阶段会出现泌水和水分急剧蒸发，水分的急剧消失必然会引起混凝土的收缩，产生水泥和骨料的不均匀收缩变形。假如在混凝土浇筑后养护不及时，其表面的失水速率大于内部水分向表面移动的速率，就会使混凝土表面出现收缩。但是受到内部混凝土的约束作用，混凝土表面产生的裂缝是不连贯的。假如养护的时间不够充分，也会造成表面和内部的应力分布出现大的差异，进而出现裂缝。
(2)温度应力
混凝土是由水、水泥和粗细骨料按适当比例配合及拌制的混合物，经一定时间凝结硬化而成。水泥的凝结硬化是一个不可分割的连续的物理和化学过程：物理过程出现凝结硬化。而化学反应产生大量的水化热。框架桥混凝土尺寸较大，属大体积混凝土，由于水化热积聚在内部不易发散，可使其内部温度较表面温度高出50℃ 一60℃。内外温差产生混凝土材料的不同膨胀变形。由于内部混凝土温度高、膨胀变形大，但是受到外部混凝土、钢筋等约束条件的限制(外部混凝土温度较低、相应自由膨胀变形较小)，不能自由膨胀便产生不同应力，结果表面混凝土产生较大的拉应力，超过混凝土抗拉强度极限便导致混凝土表面产生裂缝。
(二)裂缝的控制
1、增加配筋量
增加配筋量，使钢筋混凝土中钢筋所承受的设计应力小于容许应力。钢筋混凝土构件受弯曲后，受拉钢筋以及中性轴以下的混凝土，由于拉力而伸长，但混凝土的伸长量一般是钢筋达容许应力时的伸长量的1/ lO左右(或还要小)，不能与钢筋伸长相适应，所以，钢筋的容许应力值规定越高，并设计应力越接近容许应力，则裂缝就越严重。钢筋的设计应力与裂缝宽度的关系，从多数实验资料看，按以下范围考虑是可以的：钢筋受拉应力为1OOMPa时，裂缝宽度为0.O5～0.1mm，钢筋受拉应力为200MPa时，裂缝宽度为0.15～0.2mm，钢筋受拉应力为300MPa时，裂缝宽度为0.2～0.3mm。实践证明，为了保证裂缝控制在容许范围内，使钢筋设计应力小于容许应力是十分必要的。
2、对角隅部分补足钢筋
根据国内外对钢筋混凝土角隅部分进行试验的结果表明，角隅部分区域产生斜裂缝，在其根部产生弯曲裂缝，其原因是由于隅节点处承受了较大的弯矩和剪力。为减小角隅处承受的正弯矩，设计时首先顺梗胁内侧配置了足够的角隅加强筋，角隅加强筋与骨架筋排列一致。
3、顶板与竖墙连接处的处理
顶、底板与竖墙连接处承受了较大的弯曲应力，同时也承受较大的剪力，且这些力都是正反方向交替作用的。因此，在顶面、底面易产生较多的交叉裂缝，为防止轴向钢筋因压屈作用而失效，将顶板、底板与竖墙连接处增设加强筋，加强筋布置同骨架筋一致，用以更好地固定轴向钢筋，减少顶板、底板与竖墙连接处的裂缝产生。
4、螺纹钢筋的锚固
在设计中，对于螺纹钢筋的锚固，很多地方是决定于设计者的经验判断。若锚固长度不够，则锚固筋的端点往往是弯曲应力产生裂缝的起点和开裂裂缝的集中点，斜框架桥必然会产生裂缝。而锚固长度的确定，一般按现行《桥规》办理。在实际斜框架桥设计中，考虑受拉钢筋锚固长度时，除按现行《桥规》办理外，一般还将锚固点置于斜框架桥受拉压交界点处，伸入受压区不小于25d(d为受力钢筋直径)，还将各筋锚固点置于非同一截面位置。这样，对减少锚固端应力集中并防止框架开裂取得了良好的效果。
(三)加强施工方面的技术控制
1、分层浇筑、振捣到位
对跨度较大的框架桥，为满足结构受力需要，其顶底板及边墙厚度取值往往大于1m，混凝土水化热极易造成裂缝，施工中应尽量分层浇筑。一般一次浇筑厚度在0.5m左右为宜。浇筑时加强振捣，避免出现空隙积水过多引起后期裂缝。
2、良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度
养护时保持湿度越高、温差越小、养护时间越长，则混凝土收缩越小。而且，良好的养护方法也可降低混凝土水化热影响，减少混凝土水化引起的温度应力。
3、注意防风
如果框架桥施工期间风力频繁，应采取适当的挡风措施，避免结构表面失水过快导致结构收缩应力过大，进而引起裂缝。
结语
斜交框架桥受力相比正交框架桥复杂，其随跨宽比、斜交角、荷载形式的不同而变化。在对斜交框架桥受力特性的分析基础上，选择适当的钢筋布置方案从构造受力上予以保证，减少斜交框架桥裂缝的产生。#p#分页标题#e#
参考文献：
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