張玉文

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

雙線無砟軌道 56 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁是目前國內(nèi)鐵路客運(yùn)專線建設(shè)中實(shí)施的最大跨度的雙線無砟軌道簡支梁跨,梁體自重超過2000 t,所以梁體配設(shè)了大量的預(yù)應(yīng)力鋼束。為了滿足鋪設(shè)無砟軌道的技術(shù)條件,對結(jié)構(gòu)的剛度和鋪設(shè)無砟軌道后的梁體變形均提出嚴(yán)格的要求?？v向鋼束均在梁端進(jìn)行張拉,由于梁跨較大,且大批的大噸位鋼束集中在梁端進(jìn)行錨固,使得梁端局部在錨下集中荷載和大噸位支座反力作用下受力十分復(fù)雜。有時會引起一些部位混凝土拉應(yīng)力過大,超出混凝土抗拉強(qiáng)度而在這些部位產(chǎn)生裂縫,威脅梁的使用性能,所以梁端錨固區(qū)在大噸位群錨作用下的受力行為分析至關(guān)重要。

2 主梁構(gòu)造

2.1 梁截面構(gòu)造

56m箱梁為單箱單室斷面,總長度 57.1m,梁高為 5.3m,頂板厚 0.35m,腹板厚 0.5m,梁端局部加厚至 1.1m;底板厚 0.3m,梁端局部加厚至 1m,箱梁在梁端支點(diǎn)處設(shè)置 2.0m厚的端隔板。

2.2 錨固區(qū)構(gòu)造

鋼絞線:采用 7φ5mm高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為 fpk=1 860MPa,錨下張拉應(yīng)力為1 380MPa,Ep=1.95×105MPa,公稱直徑為 15.2mm。

預(yù)應(yīng)力管道:預(yù)制段采用外徑 90mm的橡膠棒抽芯成孔,濕接縫管道采用內(nèi)徑 90mm的金屬波紋管成孔。

錨具:選用 OVM15-15型號及其配套產(chǎn)品。

梁端錨固體系如圖1所示,沿梁軸線對稱布置。

圖1 56m箱梁端部錨固體系布置示意(單位:mm)

3 錨固區(qū)有限元模型

利用通用有限元分析程序 Ansys中為專門分析混凝土結(jié)構(gòu)而開發(fā)的 Solid65單元對梁端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了離散建模。為了提高計(jì)算效率,截取梁端一部分建立箱梁等比例實(shí)體模型,其中包括:封錨端,端部橫隔板,箱梁端部變截面段,箱梁等截面段。

由于構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力鋼束是空間曲線布置,因此考慮采用混凝土和鋼束分離式建模,分別劃分單元生成節(jié)點(diǎn),然后通過節(jié)點(diǎn)耦合的方式模擬預(yù)應(yīng)力鋼束和混凝土之間的相互作用(該方法假定混凝土和鋼束是有粘結(jié)的,并且不考慮混凝土中鋼束的滑移)。為了使單元形狀規(guī)則,加快求解速度和提高結(jié)果的正確性和精確度,在為模型劃分網(wǎng)格時采用體掃掠的方法。

建模完成后對模型求解,在求解之前,為使鋼束節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)位置更好地耦合,鋼束單元尺寸取為 0.5m,混凝土單元尺寸取為 0.11m,單元劃分如圖2所示。

圖2 箱梁錨固區(qū)單元劃分

4 箱梁錨固區(qū)應(yīng)力計(jì)算

4.1 有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)建立的有限元模型進(jìn)行分析,主要計(jì)算結(jié)果如圖3～圖10所示。

箱梁采用 C50混凝土,軸心抗壓強(qiáng)度為 33.5 MPa,軸心抗拉強(qiáng)度為 3.10MPa。由圖3中的應(yīng)力分布,根據(jù)圣維南原理,可以看出箱梁錨固區(qū)外側(cè)混凝土處于受拉狀態(tài),拉應(yīng)力均小于 0.5MPa,進(jìn)入鋼束布置區(qū)后,腹板和底板中的鋼束附近混凝土處于受壓狀態(tài),腹板中的壓應(yīng)力均小于 10.0MPa,底板中的壓應(yīng)力小于 11.0MPa,沒有出現(xiàn)混凝土破壞。

由圖4中應(yīng)力分布可知,橫隔板內(nèi)主要承受壓應(yīng)力,壓應(yīng)力在 1.0MPa左右。

圖3 支座梁端側(cè)箱梁縱向正應(yīng)力

圖4 支座梁端側(cè)橫隔板縱向正應(yīng)力

由圖5可知,箱梁腹板中的壓應(yīng)力在 7MPa左右,支座附近箱梁底板會產(chǎn)生拉應(yīng)力,拉應(yīng)力在 1 MPa左右。

由圖6可知,由于橫隔板在受力作用下變形而在內(nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力,向外逐漸發(fā)展為壓應(yīng)力,即在支座跨中側(cè)橫隔板內(nèi)側(cè)受拉外側(cè)受壓,拉應(yīng)力小于 1MPa,壓應(yīng)力小于 6.5MPa。

圖5 支座跨中側(cè)箱梁縱向正應(yīng)力

由圖7可知箱梁變截面段在預(yù)應(yīng)力和重力作用下處于全截面受壓狀態(tài),壓應(yīng)力均小于 20MPa。

由圖8可知在等截面內(nèi)箱梁全截面受壓,壓應(yīng)力為 16MPa左右。

圖6 支座跨中側(cè)橫隔板縱向正應(yīng)力

圖7 箱梁變截面段縱向正應(yīng)力

圖8 箱梁等截面段縱向正應(yīng)力

由圖9可知在箱梁的腹板、底板以及腹板與底板相交處的加腋處都會產(chǎn)生拉應(yīng)力,拉應(yīng)力大小維持在1MPa左右。頂板底面中心附近拉應(yīng)力比較大,最大達(dá)到 1.8MPa左右。

由圖10可知,橫隔板中分布的橫向正應(yīng)力主要為拉應(yīng)力,箱梁端頭側(cè)橫向拉應(yīng)力大于靠近支座側(cè)拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力達(dá)到 1.8MPa。值得注意的是,在腹板內(nèi)側(cè)倒角附近有應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生,其最大拉應(yīng)力可達(dá) 2.5MPa左右,容易使混凝土拉壞。

圖9 支座梁端側(cè)箱梁段橫向正應(yīng)力

4.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

通過以上計(jì)算分析,證實(shí)箱梁在預(yù)應(yīng)力和自重荷載作用下在梁端張拉鋼束附近,會出現(xiàn)混凝土拉應(yīng)力偏大現(xiàn)象,尤其是在箱梁橫隔板腹板和底板交匯處的橫向拉應(yīng)力集中情況比較突出。另外,在箱梁變截面段的腹板內(nèi)側(cè)和箱內(nèi)兩側(cè)下倒角處也容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。在預(yù)應(yīng)力荷載和自重荷載作用下梁端橫隔板承受較大的壓應(yīng)力。

圖10 支座梁端側(cè)箱梁橫隔板橫向正應(yīng)力

5 箱梁錨固區(qū)應(yīng)力試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證該 56m箱梁梁端在群錨作用下的承壓強(qiáng)度和抗裂性,在實(shí)際張拉施工時進(jìn)行了梁端錨固區(qū)試驗(yàn)研究,并對前述有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

5.1 應(yīng)變傳感器測點(diǎn)布置

端部梁塊混凝土澆筑前,在錨固區(qū)域預(yù)埋應(yīng)變傳感器。傳感器的布置位置和方向見圖11,縱向表示沿z軸方向放置,橫向表示沿 x軸放置即腹板板厚方向,豎向表示沿 y軸方向放置。

錨下的應(yīng)力情況比較復(fù)雜,尤其在距端部 1m范圍內(nèi),應(yīng)力的變化比較大,測點(diǎn)的布置主要是測錨下三向應(yīng)力的變化情況。 1號、3號、5號、7號、10號、12號、14號、15號測錨下縱向應(yīng)力,2號、4號、6號 、8號測錨下橫向應(yīng)力,9號、11號、13號測錨下豎向應(yīng)力。

5.2 預(yù)應(yīng)力束張拉程序

張拉程序:0→初應(yīng)力(0.1σcon)→控制應(yīng)力 σcon→持荷 5min→錨固。張拉按左右對稱原則進(jìn)行,最大不平衡束不超過一束,張拉按以下順序進(jìn)行:2N3-2N9-2N4-2N10-2N5-2N11-2N6-2N12-2N7-2N13-2N8-2N14-6N2-5N1,平均每張拉 4束預(yù)應(yīng)力鋼束對應(yīng)變傳感器進(jìn)行一次測試。

5.3 實(shí)測結(jié)果與理論結(jié)果比較分析

下面將各個測點(diǎn)在各張拉工況下的應(yīng)力變化列于表1。

圖11 傳感器測點(diǎn)布置(單位:cm)

表1 測點(diǎn)理論應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力對比MPa

由實(shí)測結(jié)果主要得出以下結(jié)論:

測點(diǎn)位于 N9錨下,從測點(diǎn)在各張拉工況下應(yīng)力變化規(guī)律可以看出,實(shí)測值和理論計(jì)算值的變化趨勢一致,張拉測點(diǎn)所在預(yù)應(yīng)力束時錨下的縱向壓應(yīng)力驟然變大,隨后張拉工況下,應(yīng)力有所增大,但對測點(diǎn)應(yīng)力的變化影響不大。測點(diǎn)處錨下縱向應(yīng)力主要是測點(diǎn)所在的預(yù)應(yīng)力束張拉作用的結(jié)果,其他工況張拉時,測點(diǎn)的縱向應(yīng)力有所增大是因?yàn)闇y點(diǎn)在箱梁的中性軸偏下方,受壓增大。

6 結(jié)語

綜合分析計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù),按有限元分析群錨效應(yīng),其應(yīng)力均未超出容許值。在各張拉工況下,張拉測點(diǎn)以外的預(yù)應(yīng)力束對錨下縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力的影響不大,對豎向應(yīng)力的變化有一定影響。實(shí)測值和理論值變化規(guī)律相似,說明錨下應(yīng)力的分布主要是由測點(diǎn)處的預(yù)應(yīng)力作用所引起的?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果較為吻合,驗(yàn)證了理論分析的建模、邊界條件模擬以及加載形式的正確性。為大噸位群錨作用下合理梁端構(gòu)造形式的選擇以及梁端局部受力分析提供可借鑒的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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