劉江川

(大西鐵路客運(yùn)專線有限公司，太原 030027)

客運(yùn)專線無(wú)砟軌道大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)墩梁固結(jié)處局部應(yīng)力分析

劉江川

(大西鐵路客運(yùn)專線有限公司，太原 030027)

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)墩梁結(jié)合區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)造、預(yù)應(yīng)力鋼束布置和應(yīng)力分布都比較復(fù)雜，是T構(gòu)橋的關(guān)鍵部位。結(jié)合某客運(yùn)專線70 m跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)墩梁固結(jié)部位進(jìn)行精細(xì)的有限元局部應(yīng)力分析，得到施工階段及運(yùn)營(yíng)階段墩梁固結(jié)區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律，以便指導(dǎo)工程的設(shè)計(jì)和施工。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力配束合理，施工階段及運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

鐵路橋；預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)；墩梁固結(jié)區(qū)域；有限元；局部應(yīng)力分析

1 概述

某客運(yùn)專線多處工點(diǎn)采用了(70+70) m的預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)(圖1)，線路為雙線，線間距為5.0 m，其設(shè)計(jì)速度為350 km/h。采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道或CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)列車活載為“ZK活載”。主梁計(jì)算跨度為(70+70) m，支座中心線至梁端0.75 m，梁全長(zhǎng)141.5 m。中支點(diǎn)截面中心處梁高8.0 m，邊跨等高段長(zhǎng)12.25 m，截面中心處梁高4.0 m。截面采用單箱單室、變截面直腹板形式。箱梁頂寬12.0 m，底寬7.0 m。橋墩采用空心墩，壁厚1.4 m，墩頂梁部0號(hào)塊橫橋向設(shè)置0.5 m的幫寬。0號(hào)塊中設(shè)置2片厚1.6 m的橫隔板，橫隔板中設(shè)過(guò)人通道，0號(hào)塊箱梁底部留有進(jìn)人洞?？招亩张c梁體0號(hào)塊固結(jié)，參見(jiàn)圖2。此處結(jié)構(gòu)與受力均較復(fù)雜，屬于T構(gòu)橋的關(guān)鍵部位，通常的分析計(jì)算已不能滿足設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行精細(xì)的空間有限元分析，以揭示該區(qū)域的受力特性和應(yīng)力分布規(guī)律，指導(dǎo)工程的設(shè)計(jì)和施工。

圖1 (70+70) m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)構(gòu)造(單位:mm)

圖2 墩梁固結(jié)區(qū)域構(gòu)造(單位:mm)

2 建模方法

2.1 建模思路

由圣維南原理可知，墩梁固結(jié)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)只與其附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，這一區(qū)域以外的應(yīng)力狀態(tài)的影響較小，可以忽略不計(jì)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可取2.5倍梁高范圍進(jìn)行計(jì)算。在墩梁固結(jié)區(qū)沿縱向截取42 m、沿著墩身截取20.5 m進(jìn)行研究，可滿足以上要求。

本文先利用通用有限元程序MIDAS對(duì)全橋進(jìn)行各個(gè)階段的內(nèi)力計(jì)算，再將選取的局部模型兩端截面內(nèi)力作為外荷載加在局部模型的截?cái)嗵?，?jì)算可反映局部受力的應(yīng)力分布情況。整體坐標(biāo)系按照右手法則建立如下:順橋向?yàn)閤軸，橫橋向?yàn)閦軸，豎向?yàn)閥軸。

2.2 模型建立(圖3)

該空間有限元模型采用2種ANSYS單元：Solid45實(shí)體單元，模擬混凝土；Link8桿單元，模擬預(yù)應(yīng)力鋼束。

在進(jìn)行建模時(shí)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化處理。

(1)該有限元模型中對(duì)預(yù)應(yīng)力的模擬采用對(duì)單元進(jìn)行降溫的方法，降溫值=張拉力/(線膨脹系數(shù)×彈性模量×鋼束面積)。張拉應(yīng)力采用整體模型中的平均有效預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼束線膨脹系數(shù)為1.2×10-5(1/℃)。

圖3 ANSYS局部模型單元?jiǎng)澐?/p>

(2)預(yù)應(yīng)力鋼束單元與混凝土單元之間采用節(jié)點(diǎn)耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用此方法避免了對(duì)混凝土進(jìn)行切割形成預(yù)應(yīng)力鋼束位置的繁瑣步驟，同時(shí)能夠滿足墩梁固結(jié)處研究的精度要求。

(3)為了方便對(duì)梁兩端截面處施加外力，將加載面剛性化，實(shí)現(xiàn)方法為將梁截面重心處的節(jié)點(diǎn)與該截面處所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛接，外力施加于重心節(jié)點(diǎn)處。

(4)墩身最底部截面節(jié)點(diǎn)全部固結(jié)。

2.3 荷載處理與工況

計(jì)算中考慮了如下3種工況：

工況1 最大懸臂階段；

工況2 運(yùn)營(yíng)10年后恒載(包括自重、二恒、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變)；

工況3(主力) 運(yùn)營(yíng)10年后恒載(包括自重、二恒、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變)+雙車道活載。

對(duì)于工況2和工況3，由于結(jié)構(gòu)為超靜定體系，預(yù)應(yīng)力會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初內(nèi)力和次內(nèi)力。由于初內(nèi)力已經(jīng)通過(guò)模型中建立的預(yù)應(yīng)力鋼束單元，對(duì)其實(shí)施降溫實(shí)現(xiàn)，故對(duì)局部模型梁端施加的由整體模型中取出的恒載梁端外力不應(yīng)再包含鋼束初內(nèi)力。

對(duì)于工況3中的雙車道活載，利用整體模型計(jì)算出墩頂梁截面處彎矩最大情況(或梁頂正應(yīng)力最大)下的列車布置工況，將此工況作為靜載加載于整體模型上，從而得出雙車道活載的梁端內(nèi)力。

從力的平衡角度，局部模型中不僅需要施加梁端外力，而且需施加自重、二恒及車道活載分布力，只有考慮了這些分布力，才能使局部模型與整體模型的受力完全吻合。其中，自重通過(guò)ANSYS中設(shè)定重力加速度實(shí)現(xiàn)，二恒及車道活載分布力通過(guò)面荷載施加。各荷載工況下梁端外力見(jiàn)表1。

表1 各荷載工況下梁端外力

3 計(jì)算結(jié)果分析(表2)

為了能夠更好地認(rèn)識(shí)墩梁固結(jié)處內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律，選取1/2墩梁固結(jié)處單元，研究混凝土結(jié)構(gòu)中正應(yīng)力、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力的分布規(guī)律，應(yīng)力的分布通過(guò)應(yīng)力云圖來(lái)表示。由于預(yù)應(yīng)力鋼束單元在錨固處會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，而錨固區(qū)應(yīng)力集中不是本章分析重點(diǎn)。為了避開0號(hào)塊錨固的預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中區(qū)段對(duì)分析的干擾，鈍化預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)域單元，重點(diǎn)查看順橋向9 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)墩梁固結(jié)位置的單元應(yīng)力結(jié)果。

3種工況作用下的應(yīng)力云圖如圖4所示，應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。

從正應(yīng)力σx圖中可以看出，封閉箱體結(jié)構(gòu)處于較理想的受壓狀態(tài)，這與平面有限元軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)一致，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力鋼束布置基本符合正應(yīng)力要求。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩梁固結(jié)下腋處，工況1、工況2、工況3作用下分別為-10.9、-11.5、-13.2 MPa，滿足規(guī)范要求的16.8 MPa；橫隔板處壓應(yīng)力較小，在橫隔板過(guò)人洞附近出現(xiàn)個(gè)別集中受拉區(qū)域，3種工況作用下最大拉應(yīng)力分別不超過(guò)0.260、0.27、0.29 MPa。這進(jìn)一步說(shuō)明箱梁內(nèi)橫隔板結(jié)構(gòu)不符合平截面假定，箱體結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力不能很好地傳遞給橫隔板結(jié)構(gòu)，因此采用平面有限元軟件分析結(jié)構(gòu)時(shí)，不應(yīng)將橫隔板計(jì)入單元截面，而應(yīng)將其按集中荷載考慮。由于橫隔板主要受力方向不一定是順橋向，因此其順橋向的主應(yīng)力不能作為結(jié)構(gòu)合理性的判斷依據(jù)，需進(jìn)一步研究其主應(yīng)力大小，從而判斷橫隔板受力是否合理。

最大主拉應(yīng)力σ1出現(xiàn)在墩頂過(guò)人洞處，其值分別為1.68、1.72、1.90 MPa，小于主拉應(yīng)力限值3.1 MPa，橫隔板受力符合規(guī)范要求。最大主壓應(yīng)力σ3位于墩梁固結(jié)下腋處，3種工況下其值分別為-11.9、-12.6、-14.5 MPa，小于主壓應(yīng)力限值20.1 MPa，系明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

表2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4 工況1與工況3應(yīng)力云圖(單位：Pa)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某客運(yùn)專線70 m T構(gòu)墩梁固結(jié)處局部進(jìn)行有限元計(jì)算，結(jié)論如下。

(1)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)應(yīng)力數(shù)值符合規(guī)范要求。

(2)從結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力分析可得，封閉箱體結(jié)構(gòu)處于較理想的受壓狀態(tài)，這與平面有限元軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)一致，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力鋼束布置基本符合正應(yīng)力要求。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩梁固結(jié)下腋處，工況1、工況2、工況3作用下分別為-10.9、-11.5、-13.2 MPa，滿足規(guī)范要求的16.8 MPa。

(3)從結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力分析可知，最大主拉應(yīng)力σ1出現(xiàn)在橫隔板過(guò)人洞處，3種工況下其值分別為1.68、1.72、1.90 MPa，小于主拉應(yīng)力限值3.1 MPa，橫隔板受力符合規(guī)范要求。最大主壓應(yīng)力σ3位于墩梁固結(jié)下腋處，3種工況下其值分別為-11.9、-12.6、-14.5 MPa，小于主壓應(yīng)力限值20.1 MPa，滿足規(guī)范要求。

(4)對(duì)于具體結(jié)構(gòu)的抗裂設(shè)計(jì)，一般斜截面抗裂計(jì)算要求嚴(yán)于正截面抗裂，主拉、主壓應(yīng)力是設(shè)計(jì)者主要控制的指標(biāo)。由于本設(shè)計(jì)的固結(jié)措施對(duì)主拉、主壓應(yīng)力峰值控制效果較好，具有一定安全儲(chǔ)備，因此墩梁固結(jié)措施較為合理。

[1] 周世軍，王華廉，張克華.鋼管混凝土系桿拱橋端結(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析[J].橋梁建設(shè)，1994(2):66-67.

[2] 鄭振飛，徐艷，陳寶春.深圳北站大橋拱墩固結(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2000(2):69-72.

[3] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].2版.北京：人民交通出版社，2007.

[4] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB J 462—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[5] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB J 460—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[6] 裘伯永，盛興旺，喬建東，等.橋梁工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[7] 葛俊穎，王立友.基于ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)分析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[8] 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[9] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[10]張立明.ALgor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實(shí)例[M].北京：人民交通出版社，2003.

Analysis of Local Stress at Rigid Connection between Girder and Pier of T-Shaped Large Span Prestressed Concrete Bridge on Passenger Dedicated Ballastless Track Line

LIU Jiang-chuan

(Datong-Xi’an Railway Passenger Dedicated Line Corporation， Taiyuan 30027， China)

The rigid connection between the girder and pier is the key part of T-Shaped large span prestressed concrete bridge due to its complexity in prestressed cable distribution and stress distribution. With reference to the design scheme of 70m T-Shaped prestressed concrete bridge on Changsha-Kunming passenger dedicated line， and with the help of finite element analysis software ANSYS， the local stress of rigid connection between the girder and pier is analyzed， and the stress distribution of the rigid connection during the construction and service is acquired to guide the design and construction of projects. The result indicates that structural prestressed tendon is reasonable， and stresses during the construction and service meet design requirements.

Railway bridges; T-Shaped prestressed concrete; Rigid connection of girder and pier; Finite element; Local stress analysis

2014-12-19；

2014-12-29

劉江川(1963—)，男，高級(jí)工程師， 1988年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，E-mail：ljc0181@163.com。

1004-2954(2015)03-0074-04

U238； U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.017