大跨度雙線無砟軌道預應力簡支箱梁梁端錨固區應力分析

張玉文

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

雙線無砟軌道 56 m預應力混凝土簡支箱梁是目前國內鐵路客運專線建設中實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,所以梁體配設了大量的預應力鋼束。為了滿足鋪設無砟軌道的技術條件,對結構的剛度和鋪設無砟軌道后的梁體變形均提出嚴格的要求?？v向鋼束均在梁端進行張拉,由于梁跨較大,且大批的大噸位鋼束集中在梁端進行錨固,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雜。有時會引起一些部位混凝土拉應力過大,超出混凝土抗拉強度而在這些部位產生裂縫,威脅梁的使用性能,所以梁端錨固區在大噸位群錨作用下的受力行為分析至關重要。

2 主梁構造

2.1 梁截面構造

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,箱梁在梁端支點處設置 2.0m厚的端隔板。

2.2 錨固區構造

鋼絞線:采用 7φ5mm高強度、低松弛預應力鋼絞線,標準強度為 fpk=1 860MPa,錨下張拉應力為1 380MPa,Ep=1.95×105MPa,公稱直徑為 15.2mm。

預應力管道:預制段采用外徑 90mm的橡膠棒抽芯成孔,濕接縫管道采用內徑 90mm的金屬波紋管成孔。

錨具:選用 OVM15-15型號及其配套產品。

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構而開發的 Solid65單元對梁端結構進行了離散建模。為了提高計算效率,截取梁端一部分建立箱梁等比例實體模型,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。

由于構件中的預應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點,然后通過節點耦合的方式模擬預應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的,并且不考慮混凝土中鋼束的滑移)。為了使單元形狀規則,加快求解速度和提高結果的正確性和精確度,在為模型劃分網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,為使鋼束節點與混凝土節點在相應位置更好地耦合,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 箱梁錨固區單元劃分

4 箱梁錨固區應力計算

4.1 有限元計算結果

根據建立的有限元模型進行分析,主要計算結果如圖3～圖10所示。

箱梁采用 C50混凝土,軸心抗壓強度為 33.5 MPa,軸心抗拉強度為 3.10MPa。由圖3中的應力分布,根據圣維南原理,可以看出箱梁錨固區外側混凝土處于受拉狀態,拉應力均小于 0.5MPa,進入鋼束布置區后,腹板和底板中的鋼束附近混凝土處于受壓狀態,腹板中的壓應力均小于 10.0MPa,底板中的壓應力小于 11.0MPa,沒有出現混凝土破壞。

由圖4中應力分布可知,橫隔板內主要承受壓應力,壓應力在 1.0MPa左右。

圖3 支座梁端側箱梁縱向正應力

圖4 支座梁端側橫隔板縱向正應力

由圖5可知,箱梁腹板中的壓應力在 7MPa左右,支座附近箱梁底板會產生拉應力,拉應力在 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側產生拉應力,向外逐漸發展為壓應力,即在支座跨中側橫隔板內側受拉外側受壓,拉應力小于 1MPa,壓應力小于 6.5MPa。

圖5 支座跨中側箱梁縱向正應力

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

由圖8可知在等截面內箱梁全截面受壓,壓應力為 16MPa左右。

圖6 支座跨中側橫隔板縱向正應力

圖7 箱梁變截面段縱向正應力

圖8 箱梁等截面段縱向正應力

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生拉應力,拉應力大小維持在1MPa左右。頂板底面中心附近拉應力比較大,最大達到 1.8MPa左右。

由圖10可知,橫隔板中分布的橫向正應力主要為拉應力,箱梁端頭側橫向拉應力大于靠近支座側拉應力,最大拉應力達到 1.8MPa。值得注意的是,在腹板內側倒角附近有應力集中現象發生,其最大拉應力可達 2.5MPa左右,容易使混凝土拉壞。

圖9 支座梁端側箱梁段橫向正應力

4.2 應力計算結果分析

通過以上計算分析,證實箱梁在預應力和自重荷載作用下在梁端張拉鋼束附近,會出現混凝土拉應力偏大現象,尤其是在箱梁橫隔板腹板和底板交匯處的橫向拉應力集中情況比較突出。另外,在箱梁變截面段的腹板內側和箱內兩側下倒角處也容易出現拉應力。在預應力荷載和自重荷載作用下梁端橫隔板承受較大的壓應力。

圖10 支座梁端側箱梁橫隔板橫向正應力

5 箱梁錨固區應力試驗研究

為驗證該 56m箱梁梁端在群錨作用下的承壓強度和抗裂性,在實際張拉施工時進行了梁端錨固區試驗研究,并對前述有限元仿真結果進行對比驗證。

5.1 應變傳感器測點布置

端部梁塊混凝土澆筑前,在錨固區域預埋應變傳感器。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。

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

5.2 預應力束張拉程序

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

5.3 實測結果與理論結果比較分析

下面將各個測點在各張拉工況下的應力變化列于表1。

圖11 傳感器測點布置(單位:cm)

表1 測點理論應力與實測應力對比MPa

由實測結果主要得出以下結論:

測點位于 N9錨下,從測點在各張拉工況下應力變化規律可以看出,實測值和理論計算值的變化趨勢一致,張拉測點所在預應力束時錨下的縱向壓應力驟然變大,隨后張拉工況下,應力有所增大,但對測點應力的變化影響不大。測點處錨下縱向應力主要是測點所在的預應力束張拉作用的結果,其他工況張拉時,測點的縱向應力有所增大是因為測點在箱梁的中性軸偏下方,受壓增大。

6 結語

綜合分析計算結果及試驗數據,按有限元分析群錨效應,其應力均未超出容許值。在各張拉工況下,張拉測點以外的預應力束對錨下縱向應力和橫向應力的影響不大,對豎向應力的變化有一定影響。實測值和理論值變化規律相似,說明錨下應力的分布主要是由測點處的預應力作用所引起的。現場試驗結果與理論分析結果較為吻合,驗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踐經驗。

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