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河北工程大学土木工程学院交通工程专业
0.绪论
伴随着城市发展一同发展的高速铁路运输也随之不断增加，影响道路交通的顺畅，道路与铁路的平交道口成为城市交通的瓶颈。
当铁路与城市干道平面交叉时，对交叉道口的干扰很大，既不安全也影响道路交通运输效率。
这就要求在运营次数频繁的高速铁路线上修建互通式立交桥的。
框构桥作为下穿铁路的互通式立交桥具有比较明显的优点。
其外形轻巧,造型美观,整体性好,不受道岔限制,且正交时要求地基承载力较低。
当站内股道较多或填土高度受到限制时,框构互通式立交桥是不错的选择,可以大大节省投资成本。
0.1立交桥建设的重要意义
立交桥梁是互通式立体交叉工程的重要组成部分,其设计多是互通式立交专业设计的难点、重点,其造价一般在整个立交工程中占有较大比例,对整个立交工程有较大影响。
特别是立交桥梁是互通式立体交叉工程的重要组成部分,其设计多是互通式立交专业设计的难点、重点,其造价一般在整个立交工程中占有较大比例,对整个立交工程有较大影响。
一般概况立交桥梁与一般桥梁（指跨越山川河谷等天然障碍的桥梁）类似,但又有其特点,其结构形式主要服从于立体交叉工程的总体设计方案。
由于立交工程一般范围较大,故可能出现多种类型的桥梁。
另外,有些情况下还会设置较长的组合桥梁,以满足跨线、跨河等多种需要（其不同跨径段落满足不同需要）。
这类桥梁应注意桥梁整体结构的协调。
0.2立交桥桥跨结构类型
我国高速公路上互通式立交区域的桥梁一般以梁（板）式桥为主,其它型式桥梁（如拱式、刚架体系等）较少采用。
梁体类型中采用最多的是预制T梁、预制空心板、现浇箱梁3种。
结构上除单孔桥做成简支体系外,基本均做成结构连续（早期做过不少简支梁、板桥桥面连续。
随着高速公路建设中对行车舒适性的要求不断提高,桥面连续的做法已逐渐减少）。
一座互通式立交内一般尽量减少结构类型,甚至须考虑到高速公路上互通式立交相邻段落尽量统一结构类型,以减少相关费用。
另外,桥型优先选择装配式预制结构,其定型化、标准化的优点,有利于控制工程质量,节约工程成本,加快设计进度,缩短施工工期。
等宽或变宽不大的主线桥梁、曲率半径较大（≥150m）的匝道桥梁尽量采用预制结构,而变宽、异形、分叉部分的桥梁可考虑采用现浇箱梁结构。
0.3立交桥建设技术问题
0.3.1线位与桥梁的相互协调
立交区域的跨线桥布置,不宜固定桥跨而使线位服从于既定桥跨,也不宜固定线位而使桥跨服从于既定线位。
笔者认为,对于线形要求较高的立交桥,如枢纽互通式立交等桥梁一般应服从线位需要;
而对于一般互通式立交中某些交通量不大或等级标准不很高的匝道桥,线位布置应适当考虑桥梁结构的某些需要,有时若对线位稍作调整,甚至作出一点儿“牺牲”就能使桥梁结构大大优化,则有调整线位’的必要。
有时几种桥梁结构相配合,能使线位的布设更灵活,在有限的空间里布置出满足功能需要的优美线形。
因此,合理的设计应该是线位与桥跨的互动（动态）设计,在某些复杂情况下,往往需要对其进行多次调整;
而调整尺度只能视具体情况而定。
0.3.2跨线桥的有关问题
跨线桥的净高计算相当重要,特别在立交区域,跨线桥自身所处的平、纵线形及被跨下行线的平、纵线形均较复杂,给净高计算带来一定难度。
另外,跨线桥下处于凹曲线范围时,必要时还应进行一定的视距验算,以保证营运安全。
净宽及跨径布置。
跨线桥一般除满足跨线需要外,宜配置适当的边孔。
立交规范规定:
匝道出口至跨线桥的距离不应小于150m。
但如果交叉线位线形较好,且墩、台不压缩桥下驾驶者的视野,此规定可适当放宽。
从规范的解释看,可见跨线桥留有边孔的必要性及重要性（既可使视野较好,又可以使立交线位的布置具灵活性）。
跨线桥在跨越下行线时,其孔径宜留有适当余地,即桥墩位置离下行线不宜太近。
实在受各种因素影响而出现太近的情况,应注意在墩柱位置设置防护设施或在下行线路基的相关段落旁设置防撞护栏。
另外,上跨桥墩位置离下行线较近时还应注意桥墩可能未碰及下行线而上跨盖梁（若有设置）进人下行线范围的情况,造成净高不够的影响。
目前,跨线桥上跨高速公路主线时,一般不宜在高速公路的中央分割带设置桥墩。
除了考虑防止桥墩受撞击的因素,美观也是重要的考虑因素。
早期,跨线桥在经济方面考虑较多,毕竟两者的桥长有所区别。
跨线桥下的其它问题。
跨线桥下,由于地形及立交围合区域的场地整平等,有时回填土较高,故跨线桥下部桩基础计算时须考虑将桩侧土的负摩阻力作为施加在桩基上的外荷载。
负摩阻力虽然有时间效应,但仍应偏安全地纳入下部结构计算。
跨线桥下桩基础位于下穿线路堤边坡范围时,特别是下穿线填土较高（多阶边坡）时,须注意边坡对桩基础的影响,必要时采用纵桥向双排桩基础设计。
1.设计资料
1.1基本设计资料
（1）跨径及桥宽
标准跨径：
2-10.7m；
立交要求：
净高11.9m；
桥面净宽203.12m
（2）设计荷载
Z-K活载
（3）设计行车速度
250－300km/h
（4）设计年限
桥涵100年
1.2材料及工艺
（1）混凝土：
框构桥主体采用C35混凝土；
基础垫层采用C30混凝土，挡墙采用C20混凝土。
（2）钢筋：
HRB335钢筋。
（3）基本计算数据:
按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》3.1.4条和3.2.2条,基本计算数据见表1-1。
材料及特性表1-1
名称
项目
符号
单位
数据
普通钢筋
HRB335钢筋
抗拉标准强度
fsk
Mpa
335
抗拉设计强度
fsd
280
C35混凝土
弹性模量
Ec
3.15×
104
轴心抗压标准强度
fck
23.4
轴心抗拉标准强度
ftk
2.2
轴心抗压设计强度
fcd
16.7
轴心抗拉设计强度`
ftd
1.57
短暂状态
容许压应力
0.7fck
16.38
容许拉应力
0.7ftk
1.54
持久状态
标准荷载组合
0.5fck
11.7
容许主压应力
0.6fck
14.04
短期效应组合
δst-0.85δpc
容许主拉应力
0.6ftk
1.32
1.3地基处理方式
根据工程地质说明表（附件1）,经计算初步决定采用换填的地基处理方式。
1.4本章小结
第一章是根据桥梁设计规范，对框构桥整体框架进行设计，依照设计规范以及各种材料的特性，初步确定框构的尺寸，并确定地基处理方式。
为框构桥的具体设计提供数据依据。
2．结构尺寸拟定
2.1尺寸设计
2.1.1顺桥向尺寸拟定
本铁路桥设计采用2孔10.7米的框构结构，根据立交协议净高取11.9米。
根据《铁路桥涵设计基本规范》3.2.9条的规定和本框构的跨度，顶板取1.0米厚，底板取1.1米厚，边墙取1.0米，中墙取1.0米,则全长1.0+10.7+1.0+10.7+1.0=24.4米。
2.1.2横桥向尺寸拟定
桥上布置有设计多条铁路线，通过线路的详细位置见铁三院提供的《泉水河框构平面图》，根据框构平面图得出框构中心线处的横向尺寸从北往南依次为10.67米、11.99米、17.00米、9.36米、3.42米、9.58米、15.21米、19.13米、11.03米、11.13米、6.62米、1.37米、29.52米,2.48米、7.65米、6.96米、13.39米、6.81米、9.80米、全宽203.12米。
2.2桥面防水及桥面排水方式的选定
框构顶及边墙被土掩埋部分均涂刷一层JS-18环保型防水涂料及阻燃型防水卷材。
框构顶设排水坡，排水坡度取0.5%桥上轨道排水，按路基设计，漫流至栏杆基础下，集中到两侧，由设在路基边坡的截水槽引到路面。
2.3框构关键部位高程的确定
根据线路纵断面提供的数据，框构关键部位的高程如下表所示。
框构关键部位高程控制数据表表2-1
线路名称
哈大客专
轨底设计高程
18.650
顶板顶高程
15.59
顶板底高程
15.49
底板顶高程
4.789
底板底高程
3.69
2.4本章小结
本章根据基本数据，对照设计规范中通用图的数据进行对比，最终确定了顺桥向横桥向的尺寸。
并根据线路纵断面提供的数据，确定了框构各个关键部位的高程。
3.荷载的计算
3.1.桥上的荷载计算
见表3-1桥上荷载计算表。
桥上荷载计算表表3-1
人群荷载：
固定值:
4kpa
作用位置:
作用在悬臂板的上表面。
道渣荷载:
计算公式:
道渣厚×
道渣的容重
作用在铁路中心线两侧，每条线路下侧的道渣宽5m。
钢轨及扣件荷载：
（钢轨重+扣件重）×
重力系数/作用的面积
作用在铁轨中心线两侧，每侧宽1.5。
枕木荷载：
枕木重×
防水层荷载
防水层厚度×
容重
全桥的框构表面。
摇摆力：
100KN
作为一个集中荷载取最不利位置,以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面
制动力：
按列车竖向静活载的10%计算。
作用在轨顶以上2m处,计算时移至轨道顶。
底板覆土荷载
覆土厚度×
作用在底板上表面不包括边墙和中墙的范围内。
底板铺装荷载：
铺装厚度×
地基刚度：
10×
m根据换填后的地质情况,通过查《铁路桥涵地基和基础设计规范》得：
100000KN/m3
土压力
土的容重×
厚度
土体
γ=18.0kN/m3φ=30°
恒载侧向土压力
顶板轴线处：
0.256×
γ×
H=5.8Kpa
边墙两侧,为流体荷载
活载水平土压力
Pa=0.256×
（q/18）×
18=14.4Kpa
作用在边墙单侧.
3.2荷载的组合
根据《铁路桥涵设计基本规范》4.1.1条,荷载的组合分为主力组合以及主力加附加力组合,组合的具体组成见表3-2。
荷载组合工况表表3-2
主力组合工况
主力M
主力V
荷载工况
系数
自重（ST）
1
电缆槽荷载（ST）
道碴荷载（ST）
钢轨扣件及枕木荷载（ST）
桥面防水层荷载（ST）
底板覆土荷载（ST）
底板铺装荷载（ST）
活载土压力（ST）
框侧恒载土压力（ST）
收缩荷载（ST）
运营（MV）
1.07
主力加附加力组合工况
主力M+附加力
主力V+附加力
主力V（CB）
制动力（ST）
温升20度（ST）
3.3本章小结
本章给定作用于桥上的荷载包括人群荷载、道渣荷载、收缩荷载、活载土压力等荷载，各种荷载在桥上的作用位置，应用容重法计算各种荷载对设计桥梁的影响值，并对荷载进行组合分为主力及主加附。
4.迈达斯建模
4.1定义材料和截面并建立结构模型
输入材料数据,如图4-1所示。
图4-1：
材料定义图
输入框构截面数据,如图4-2所示。
图4-2：
框构截面数据图
4.2修正结构模型
在模型中加入悬臂板,并建立顶板、底板、中墙和边墙四个组，统一坐标轴，定义荷载组合，添加厚度、添加地基刚度等。
分组情况和建立的模型如下图4-3所示。
图4-3：
分组及框构模型图
4.3输入荷载并运行有限元分析程序
将外荷载计算单计算出来的数据添加到《铁路桥涵设计基本规范》规定的作用位置，添加移动荷载，确认模型无误后运行迈达斯有限元程序进行分析。
4.4本章小结
本章通过前面几章对结构尺寸的拟定，运用框构桥专用软件迈达斯软件对结构建立模型，进上步修正模型，在模型中加入悬臂板，并建立顶板、底板、边墙、中墙四个组，添加各个板的厚度并定义荷载组合，按照荷载作用位置添各个荷载，从而建立一个框构桥模型。
5．主体结构配筋
用容许应力法分别计算主力组合和主力加附加力组合工况下，顶板、底板端部截面、夹腋变截面、1/4截面、跨中，以及中侧墙上、中、下部的截面配筋。
5.1用迈达斯软件计算各关键截面的内力
模型内力图见附件3：
附图一：
模型弯矩图；
附图二：
模型剪力图；
附图三：
模型轴力图；
附图四：
顶板弯矩图；
附图五：
顶板剪力图；
附图六：
底板弯矩图；
附图七：
底板剪力图；
附图八：
边墙弯矩图；
附图九：
边墙轴力图；
附图十：
中墙弯矩图；
附图十一：
中墙轴力图。
5.2根据迈达斯的计算结果，提取各关键截面的内力
对框构整体进行配筋计算时，分为边墙和中墙两个体系，提取的内力如表5-1和表5-2所示。
配筋计算内力提取表-边墙体系表5-1
顶板弯矩（KN-m）
顶板
端部截面
跨中截面
主力组合
742
532
主+附组合
761
567
底板弯矩（KN-m）
底板
1051
589
1065
600
顶板剪力（KN）
变截面
1/4截面
922
492
374
925
495
373
剪力段长（m）
1.8
1.0
底板剪力（KN）
752
537
124.7
777
546
133.9
0.7
3.2
边墙内力
边墙顶部
边墙底部
弯矩（KN.m）
轴力（KN）
683
461
1117
789
707
462
1133
782
配筋计算内力提取表-中墙体系表5-2
1649.7
611
1775.7
621
1092.4
1309.5
640
1061.1
745
669
1053
753
673
714
561
718
566
剪力段长（m）
0.3
中墙内力
中墙顶部
中墙底部
1136
786
5.3根据迈达斯模型的提力结果，用容许应力法对截面进行配筋计算，并对钢筋进行布置
5.3.1配筋和布置原则
根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》5.1.1条：
钢筋混凝土结构应按容许应力法设计。
计算强度时，不应考虑混凝土承受拉力（除主拉力检算外），拉力应完全由钢筋承受。
计算结构变形时，截面刚度应按0.8ECI计算，EC为混凝土的受压弹性模量，I分别按下列规定计算：
静定结构：
不计混凝土受拉区，计入钢筋；
超静定结构：
包括全部混凝土截面，不计钢筋。
根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》5.2.1条：
本框构C35混凝土的容许应力分别采用下表数值
C35混凝土的容许应力表表5-3
序号
应力种类
等级:
C35
中心受压
[δc]
9.4
2
弯曲受压及偏心受压
[δb]
11.8
3
有箍筋及斜筋时的主拉应力
[δtp-1]
2.25
4
无箍筋及斜筋时的主拉应力
[δtp-2]
0.83
5
梁部分长度中全由混凝土承受的主拉应力
[δtp-3]
0.42
6
纯剪应力
[τc]
1.25
7
光钢筋与混凝土之间的粘结力
[c]
1.04
8
局部承压应力
Ａ——计算底面积
AC——局部承压面积
[δc-1]
9.4×
（A/Ac）1\2
根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》5.2.2条：
HRB335钢筋在主力或主力加附加力作用下,容许应力[δs]分别为130MPa或160MPa。
根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》5.2.3条：
（1）强度：
δc=
≤[δc]（5.1）
（2）
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