侯建軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 概述

我國客運專線鐵路建設中大量采用了整孔簡支箱梁,箱梁設計過程中錨具選取多為15孔以下錨具。但近些年大噸位錨具在一些大型橋梁工程建設中得到成功應用,例如杭州灣跨海大橋70 m箱梁設計中22孔錨具的使用,使得大噸位錨具的優(yōu)勢將逐漸突現。箱梁采用大噸位錨具可有效地減少管道設置,減小管道空洞效應,同時也有效地減小結構腹板厚度,降低結構自重、降低工程造價,具有較好的技術經濟效益,因此在鐵路簡支箱梁設計中開展大噸位錨具研究具有重要意義。

2 設計研究關鍵點

2.1 錨下局部應力分析

錨下局部應力分析是大噸位錨具使用過程中重要一環(huán),大噸位預施應力將使得錨墊板下混凝土區(qū)域產生較高的局部壓應力和橫向拉應力,拉應力過大將使錨下混凝土產生裂縫, 且隨著荷載的長期作用,裂縫將不斷沿縱向發(fā)展延伸,嚴重影響箱梁結構的耐久性。影響錨下混凝土局部應力的因素包括錨墊板本身結構尺寸、設置的錨下鋼筋(含螺旋筋)及錨具布置的邊距等。

開展大噸位錨具錨下局部應力分析,并進行局部實體模型模擬試驗,為大噸位錨具在鐵路簡支箱梁中的使用奠定基礎。

(1)空間模型分析

錨下應力分析采用ANSYS有限元分析軟件進行。模擬OVM.M15A-27錨具建立模型,考慮其錨墊板、螺旋筋與錨下混凝土存在著復雜的傳力關系,綜合建模進行分析?？臻g模型及其錨下混凝土應力狀態(tài)見圖1～圖4。

圖2 錨墊板+螺旋筋模型

圖3 混凝土主拉應力云圖(單位：MPa)

圖4 混凝土主壓應力云圖(單位：MPa)

從圖3、圖4可以看出,混凝土最大拉應力在螺旋筋包圍的混凝土區(qū)域,部分超出了混凝土極限抗拉強度,但由于有螺旋筋套箍作用,混凝土還可以承受錨墊板傳遞過來的應力而不至于破壞。而混凝土錨固區(qū)側表面拉應力較小,最大值為3.1 MPa,小于混凝土實際抗拉極限強度,側表面不會開裂；混凝土的最大壓應力出現在錨墊板下方,其應力值很快逐漸趨于均勻,約為20 MPa,比混凝土軸心抗壓強度小得多,是安全的。

(2)實體局部模擬分析

為驗證理論計算結果,建立局部實體模型模擬箱梁梁端錨固區(qū)進行分析,模型尺寸及試驗圖示見圖5～圖8,預應力錨外張拉控制應力采用0.78Fpk(鋼絞線特征極限抗拉力)。

圖5 模型斷面尺寸(單位：mm)

圖6 實體局部模擬試驗

圖7 實體模型試驗實景1

圖8 實體模型試驗實景2

局部實體模型模擬箱梁梁端錨固區(qū)試驗過程中,各測點的應變變化與加載力相對應,加載過程中各測點應變均勻變化,沒有發(fā)現因裂紋萌生而引起的異常突變,混凝土表面經檢測,其在整個加載過程中未產生裂縫；錨下混凝土壓應力符合規(guī)范要求。

2.2 構造分析

(1)腹板厚度

箱梁腹板厚度設計不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強度要求,又要提供足夠的抗扭剛度,在滿足承載能力的同時,也要保證預應力管道有足夠的保護層,以避免管道的縱向裂縫。既有鐵路整孔簡支箱梁設計采用較小噸位的錨具,一般為控制在15孔以下,腹板采用雙排管道布置,使得腹板構造要求最小厚度為450 mm。同等條件下采用大噸位錨具,可以減小腹板的構造厚度,腹板采用22孔～27孔錨具時,相應管道直徑為120 mm,腹板構造厚度可減小為360 mm,腹板厚度減小可有效降低結構自重。

(2)張拉空間

由于大噸位錨具的使用,將增大施工作業(yè)的張拉空間,對現澆簡支箱梁而言,支點距離梁端距離需要增加,由采用小錨具設計時的750 mm增大到850 mm,以滿足施工需要。相應橋墩設計時縱向尺寸也應滿足箱梁架設需要。但對于預制結構,預施應力在制梁場完成,不存在橋位張拉空間問題,無需調整支點距梁端距離。

2.3 經濟比較分析

針對某客運專線32 m整孔箱梁,對比分析采用大噸位錨具和常規(guī)小錨具設計的主要工程量及計算指標,方案1為大噸位錨具單排管道布置方式,方案2為常規(guī)小錨具雙排管道布置方式,具體計算結果見表1。

表1 箱梁主要工程量及計算指標對比

注：箱梁二期恒載按180 kN/m計算。

從表1可以看出,方案1和方案2在靜力計算指標相近,但主要工程數量上方案1用量更少。降低了工程造價,經濟性較好。

2.4 張拉工藝分析

由于大噸位錨具的使用,大大減少了箱梁預應力鋼束束數,簡化了制梁過程中的張拉工藝,有效地縮短了箱梁制造周期。同時由于腹板設置單排大噸位錨具,對張拉過程中箱梁對稱同步張拉的控制要求更加嚴格,避免引起箱梁橫向受力不均勻受壓導致梁端裂縫產生。

3 工程實例應用

東北地區(qū)某客運專線中部分橋梁建設過程中,首次采用了大噸位錨具進行箱梁設計,箱梁采用支架現澆法施工。

3.1 設計要點

(1)結構尺寸

32 m跨簡支箱梁全長32.6 m,計算跨度30.9 m,為滿足大噸位錨具橋位張拉空間需要,梁端支點距取0.85 m。箱梁截面形式采用單箱單室,腹板采用單排管道布置方式,跨中腹板厚度為360 mm,梁端腹板厚度為1 000 mm,箱梁截面見圖9～圖10。

圖9 箱梁橫截面(單位：mm)

圖10 1/2箱梁縱截面(單位：mm)

(2)預應力鋼束布置

32 m跨簡支箱梁預應力鋼束底板束采用16-φ15.2 mm,腹板束采用27-φ15.2 mm,梁端腹板采用27孔大噸位錨具錨固,為保證梁端混凝土錨下應力不超限,錨具間距設置為550 mm,邊距設置為500 mm,具體預應力筋布置見圖11。

圖11 預應力筋截面布置(單位：mm)

(3)普通鋼筋設置

鑒于箱梁采用大錨具單排管道布置方式,截面腹板厚度較常規(guī)小錨具雙排管道方式小,箱梁截面抗彎、抗扭剛度有所降低,設計中加強了箱梁斜截面抗彎、抗剪及橫向抗扭的檢算。除合理進行預應力鋼束的縱向布置外,腹板設置了間距100 mm的φ16 mm螺紋鋼筋，保證箱梁斜截面抗彎及抗剪強度滿足規(guī)范要求；同時設置間距100 mm的φ18 mm螺紋鋼筋滿足箱梁截面橫向抗扭要求。

3.2 工程實景

東北某客運專線建設中,大噸位錨具在現澆簡支箱梁中的成功應用,為其進一步推廣使用提供了科學依據,并積累了必要施工經驗,部分工序實景見圖12～圖15。

圖12 大噸位錨具張拉

圖13 大噸位錨具張拉錨固

圖14 大噸位錨具管道灌漿

圖15 成橋后全橋實景

4 結語

大噸位錨具在鐵路簡支箱梁中推廣使用將是鐵路簡支箱梁設計發(fā)展的方向,但其進一步推廣使用亟需解決2個問題：其一是施工設備機具匹配,由于大噸位錨具使用,相應的張拉及測試等設備需配套更新； 其二是錨具相應規(guī)范需進一步完善,《鐵路工程預應力筋用夾片式錨具、夾具和連接器技術條件》(TB/T3193—2008)中僅對21孔以下錨具相關技術要求進行規(guī)定,未含22孔以上大噸位錨具的要求,而大噸位錨具構造對結構的安全性影響更為突出,建議根據國際預應力混凝土協(xié)會(FIP)關于預應力體系相關標準,對大噸位錨具相關技術參數進行補充完善,規(guī)范錨具產品市場。在完善相關技術條件和施工機具的基礎上,大噸位錨具在鐵路簡支梁的應用必將有廣闊的前景。

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