雙線鐵路“T”形托盤式頂帽應力分析

穆 偉 田 璐

(1.重慶中設工程設計股份有限公司，重慶 404100; 2.中鐵工程設計咨詢集團鄭州設計院，河南 鄭州 450000)

雙線鐵路“T”形托盤式頂帽應力分析

穆 偉1田 璐2

(1.重慶中設工程設計股份有限公司，重慶 404100; 2.中鐵工程設計咨詢集團鄭州設計院，河南 鄭州 450000)

為分析特殊的“T”形托盤式頂帽在荷載作用下應力分布的特征及布筋特點，結合茂湛鐵路石門特大橋實例，采用空間有限元分析軟件MIDAS/Civil建立了三維實體模型，分析了該托帽強剪弱彎特性的應力分布情況，并總結了其布筋要點，以保證托盤式頂帽的正常工作。

雙線鐵路，托盤式頂帽，有限元，實體模型，應力

我國鐵路雙線簡支梁常規跨度數量多、范圍大、應用廣，而橋墩頂帽、托盤為結構的關鍵部位之一，是結構設計中必須重點考慮的結構。大量調查資料表明在既有鐵路和新建鐵路簡支橋梁的橋墩頂帽及托盤(橫橋向)處發生了大量的豎向裂縫，已經嚴重地影響到橋梁的使用。本部分主要作用為把上部結構傳下的集中荷載均勻地分布到整個墩身截面上，本橋托盤式頂帽又不同于普通的常規頂帽構造，由于縱橋向拉長后造成的類似局部短懸臂構造，受力情況復雜,目前對于頂帽和托盤的設計一般按照深梁或者懸臂梁檢算[1],而對于通過支座傳遞到頂帽的局部應力情況、頂帽和托盤內部的應力情況并不清楚，簡化的平面計算并不能確定其分布。因此,有必要采用空間實體有限元法,對橋墩的頂帽進行空間的應力分析，以指導設計保證頂帽的安全可靠。

1 “T”形托盤式頂帽設計概況

新建茂名至湛江鐵路為國鐵Ⅰ級[2]，雙線電氣化，V≤200 km/h客貨共線鐵路。其中石門特大橋孔跨布置形式為：13-32 m+6-35 m(T形墩+32上m)+10-32 m簡支梁，橋全長：981.76 m。本橋跨越石門港區，通航等級通行100 t級海輪，采用雙孔單向通航設置，通航孔凈寬30 m,橋梁孔徑需滿足通航凈寬和凈高以及公路35 m簡支梁對孔的要求[3]。另外為了裝配式，批量化施工及后期維修，更換的方便同樣采用32 m的跨度，這就要求本橋墩縱橋向拉寬，托盤處做成短懸臂狀以滿足要求。主要尺寸如下：縱橋向頂帽總寬度為5.2 m，橫橋向11.2 m，頂帽高0.8 m，托盤頂為圓端形(圓端半徑2.5 m)過渡到墩頂截面(圓端半徑為1.5 m)，托盤頂底的直線段長度6.0 m不變，橋墩為圓端形截面，直線段長6.0 m，半徑1.5 m,直坡。頂帽上部為T形實體塊，上部為類似道碴槽板結構，縱橋向為2.2 m，橫橋向與梁頂面等寬直接承受鐵路荷載，具體見圖1。

2 三維實體有限元模型建立

由于本橋墩的特殊性，縱橋向拉寬過大導致不滿足TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[2]關于頂帽托盤與支座底板距離的要求，考慮到本規定主要為以往經驗取值且主要針對托盤部分為素混凝土結構的一項認識[4，5]。本頂帽托盤采用鋼筋混凝土結構，建立有限元實體模型計算分析，保證結構安全。

采用MIDAS/Civil軟件采用實體單元建立模型。由于墩身高度較大對本部分的影響不大,因此建模過程中未考慮墩高h對托盤，頂帽應力的影響,截取墩身3 m范圍內的橋墩建模，模型底部按固接處理[6，7]。為了滿足分析的精度,在劃分單元時,加密了托盤頂帽段以及墩身過渡段的網格劃分。單元為六面體，全橋共劃分為10 640個單元。由于托盤頂帽部分主要為豎向力控制，水平力影響較小，故以雙線雙孔重載控制計算，活載采用“中—活載”,動力系數取1.1;恒載(按32 m雙線簡支T梁與二期恒載的總重計)，“T”塊部分采用均布荷載方式加載與頂帽頂。有限元模型如圖2所示。橫橋向為x軸,順橋向為y軸,沿墩高向上為z軸,原點位于墩頂以上0.7 m處的左側圓心處[11]。

材料特性:設計支承墊石為C40混凝土,采用彈性模量E=3.4×1010Pa,質量密度2 500 kg/m3,泊松比μ=0.2,墩帽及托盤設計為C35混凝土,采用彈性模量E=3.3 ×1010Pa,質量密度2 500 kg/m3,泊松比μ=0.2。鋼筋彈性模量E=2.0×1011Pa,質量密度7 850 kg/m3,泊松比μ=0.3。

3 計算結果分析

3.1 正應力及主拉應力分析

3.1.1 頂帽頂面應力分布

圖3為頂帽頂面順橋向正應力σy的分布情況。圖3表明頂帽頂面σy在縱橋向墊石之間位置正值(拉應力),最大拉應力為1.05 MPa;在墊石正下方及周圍主要為壓應力,最大壓應力σz=3.2 MPa,但作用范圍集中,至頂帽四周的邊緣又變為很小的拉應力。圖4為頂帽頂面橫橋向應力σx的分布情況,可以看出,兩支座中間處出現較大數值的局部橫向拉應力，最大橫向正應力值出現于中間兩墊石,外側墊石下最大可達0.86 MPa。頂面處混凝土的主拉應力最大值為1.05 MPa。

3.1.2 頂帽底面應力分布

由于本頂帽厚度為0.8 m,較厚，經過應力的擴散，在頂帽與托盤交界面處最大橫橋向正應力σx=0.68 MPa，位于頂帽邊緣橫橋向墊石連線處(見圖5)。最大順橋向正應力σx=0.25 MPa，較為均勻的分布于墊石所包圍圈的核心區內(見圖6)。主要表現為橫橋向受拉，最大主拉應力0.68 MPa基本等同于橫橋向正應力。整個頂帽范圍內最大主拉應力即正應力均小于鐵路規范中有箍斜筋主拉應力。

3.1.3 托盤應力分布

整個托盤部分的主拉應力正應力基本分布較為均勻，從頂帽至墩頂主拉應力逐漸減小，應力擴散梯度較小，僅在托盤與墩頂交界處附近的外緣出現壓應力集中的現象，最大壓應力σz=1.3 MPa，最大正應力及主拉應力為0.3 MPa～0.4 MPa，主要分布于墊石投影下方頂帽底附近，且均小于鐵路規范[1]σ[tp-2](無箍斜筋主拉應力)。

3.2 剪應力分析

1)經過計算截取兩個最不利截面進行分析，其一沿縱橋向截取中間墊石下方截面，分析其剪應力分布圖(見圖7)，該剖面最大剪應力值出現于墊石處，并且在以墊石為中心在頂帽范圍內呈倒鐘形分布，數值上大下小，中心大四周小，頂帽頂面處最大剪應力值達到1.6 MPa，頂帽底面處最大剪應力值為0.75 MPa，剪應力在頂帽范圍內應力擴散較快。托盤部分內，由于托盤縱橋向尺寸拉伸形成的類短懸臂結構，在整個懸臂范圍內以及向中心延伸的0.5 m范圍內剪應力值范圍為0.4 MPa～0.7 MPa，在托盤與頂帽交接處出現剪應力集中現象，其數值最外層最大達到0.7 MPa。分布規律為外側大，中心小，總體均小于σ[tp-2](無箍斜筋主拉應力)[1]但是大于σ[tp-3](梁部分長度內全部有混凝土承受的主拉應力)[1]。其余托盤部分均小于0.4 MPa且分布較為均勻。

2)Y=1.5 m處xz截面(見圖8)，該界面顯示剪應力分布與圖7較為相似，剪應力最大值同樣出現于墊石下，倒鐘形分布，大小數值也基本相同。頂帽以下部分剪應力值均小于0.75 MPa，且更為均勻。其中在托盤與頂帽交接處更能顯示出剪應力的集中情況，集中應力分布區域厚度約為 0.3 m～0.4 m，所以在該交接截面呈環形剪應力集中分布現象，但是數值并不大，最大值0.7 MPa。

4 綜合分析

對比分析本托盤式頂帽的正應力與剪應力結果可以看出，本結構表現出典型的強剪弱彎的特性，這也與本結構的構造特性較為一致，對比頂帽最大剪應力/最大正應力=1.45，托盤內部最大剪應力/最大正應力=1.6。較大主拉應力主要出現在頂帽范圍以內，其中最大主拉應力位于墊石之間處，主拉應力分布很不均勻，墊石下主要表現為壓應力。托盤范圍內主拉應力較為均勻，且數值較小。剪應力方面最大剪應力主要在墊石下方附近呈倒鐘形，頂帽向下逐漸減小，梯度在頂帽范圍內較大，托盤部分主要與墩身交界處出現剪應力集中現象，懸挑部分剪應力大于中心部分，分布較為均勻。

5 設計要點

根據鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土結構設計規范，最大主拉應力及剪應力均小于σ[tp-1]說明構件尺寸滿足要求，針對本構件主要的強剪弱彎特點，對剪應力大于σ[tp-1](梁部分長度內全由混凝土承受的主拉應力)的部分，特別是墊石下方，頂帽及懸挑部分以及托盤墩身交界處范圍內加強抗剪鋼筋，豎向鋼筋的配置[6]。抗彎鋼筋主要配置在頂帽上部部分。頂帽內正應力及剪應力梯度均較大，分布不均采用豎向及抗彎鋼筋均加強。在實際工程還應考慮混凝土硬化過程所產生的溫差應力和混凝土收縮引起的應力差[4],列車橫向搖擺力和混凝土這種脆性材料在低周疲勞條件下抗拉強度的降低等因素，增加分布鋼筋可以一定程度上降低裂縫發生的概率[5]。從使用效果來看，目前本鐵路已竣工通車，結構使用正常。

[1] 張 祥.橋梁墩臺懸臂深梁頂帽設計的探討[J].鐵道標準設計，1985(2)：11-18.

[2] TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設計基本規范[S].

[3] TB 10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土設計規范[S].

[4] 薛文敏.橋墩頂帽標準化建議[J].鐵道標準設計，1982(12)：20.

[5] 胡槿初.我國鐵路橋墩臺頂帽構造沿革[J].鐵道標準設計,1987(5)：10-14.

[6] 鐵建設[2005]285號，新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定[S].

[7] 李新樂，竇慧娟.鋼筋混凝土橋墩頂帽豎向開裂原因分析及加固對策[J].鐵道建筑，2007(8)：69-71.

[8] 李 艷.雙線圓端形空心橋墩頂帽應力分析[J].鐵道標準設計，2007(2)：35-37.

[9] 陳鴻熾.“寶瓶”式橋墩受力特性及鋼筋合理性布置的探討[J].福建建設科技，2005(2)：31-32.

[10] 北京邁達斯技術有限公司.MIDAS CIVIL2010分析設計原理[M].北京:北京邁達斯技術有限公司,2010.

[11] 邱順冬.橋梁工程軟件Midas civil應用工程實例[M].北京:人民交通出版社,2011.

The stress analysis of T-bulk-head pier in double track railway

Mu Wei1Tian Lu2

(1.ChongqingZhongsheEngineeringDesignCo.,Ltd,Chongqing404100,China; 2.ZhengzhouDesignInstitute,ChinaRailwayEngineeringDesignConsultingGroupCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

This paper established three-dimensional solid model of the T-bulk-head pier which is applied in Shimen grand bridge of Mao-Zhan railway by finite element analysis software MIDAS/Civil and analyses the stress under load. The results show that the characteristics of strong shear weak bending and stress distribution in T-bulk-head pier is feasible to ensure the structure normal operation.

double track railway, the bulk-head pier, finite element, solid model, stress

1009-6825(2015)30-0163-03

2015-08-16

穆 偉(1985- )，男，工程師； 田 璐(1982- )，男，工程師

U441.5

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