高速鐵路箱式路基加腋對結構靜力特性的影響

劉晶磊，劉佳凡，周瑋浩，夏 彬，張業榮，張伯揚，張文祥

(1.河北建筑工程學院,河北張家口 075000; 2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室,河北張家口 075000;3.河北省寒冷地區交通基礎設施工程技術創新中心,河北張家口 075000)

引言

隨著我國高速鐵路工程的不斷發展,高速鐵路鋪設里程數迅速增長,傳統高速鐵路路基[1-2]具有平順性好、連續性好等特點,已被廣泛應用。然而,由于傳統高速鐵路路基難以適應不同地區的差異化地質條件,使得其在建設過程中,整體強度難以達到規定強度指標,且填料耗費多,故急需一種新型路基代替傳統路基來滿足工程需要。高速鐵路箱式路基作為新型路基結構的一種,具有整體性好、強度高、穩定性好、耐久性強、占地面積少等優點,可在惡劣的地質條件下滿足高速列車行車要求。祝偉杰[3]總結了箱式路基的結構型式和工程設計,從結構力學角度分析了箱式結構的內力特性與應力傳遞路徑,提出了箱式結構的平面簡化受力圖。劉平[4]提出一種具有側向約束的裝配箱涵式路基新結構,并對該結構的受力進行了數值模擬分析,指出裝配箱涵式路基對沉降控制效果明顯,可減少20%～35%的沉降量。肖坦樹[5]利用有限元軟件ABAQUS建立了3個節點域加腋加固的有限元模型,施加單調荷載和循環荷載,對節點域進行加腋加固,能夠有效提高節點域的承載力,減小剪切變形。陳濤[6]通過數值模擬的方式研究了不同節點加腋時的性能變化,指出加腋節點的應力變化與常規節點基本相同,但隨著梁腋高度和長度增加,加腋節點的剛度和承載力均有提升。

作為一種新型高速鐵路路基結構,箱式路基的受力狀態和配筋計算仍處于經驗階段,業內尚無針對該結構的成套計算方法或設計規范。采用控制變量法,針對新型箱式路基結構頂板和豎板連接節點的應力集中現象,研究了三角形腋不同的加腋高度和加腋角度對應力集中部位的應力突變減少值,并找到最優加腋高度區域與加腋角度區域。研究成果可為優化高速鐵路路基結構及提升高速鐵路路基承載力提供理論依據。

1 箱式路基結構形式

鋼筋混凝土箱式路基分別由水平放置在地基上的鋼筋混凝土底板;豎直連接在底板上的鋼筋混凝土豎板,水平連接在豎板上的鋼筋混凝土頂板和豎直固定在底板上的鋼筋混凝土短樁組成。鋼筋混凝土短樁深入地基土中,用于提升箱式路基的穩定性。頂板和底板均在豎板的外側延伸預設長度,頂板的延伸長度等于底板的延伸長度。箱式路基結構橫截面以及三維效果如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土箱式路基結構示意(單位:m)Fig.1 Schematic diagram of reinforced concrete box subgrade structure (unit: m)

2 箱式路基模型簡化

將箱式路基的計算模型拆分為頂板、豎板、底板和短樁,并根據箱式路基各部件的結構形式和受力情況進行模型簡化。

2.1 鋼筋混凝土頂板

根據TB10621—2014《高速鐵路設計規范》[7]的要求,頂板簡化為有兩個剛性支座的梁,將頂板的受力部分近似為承受集中荷載,在集中荷載作用下,頂板受力主要以彎矩為主。

2.2 鋼筋混凝土豎板

豎板外側無填土,豎板的受力主要以壓應力和彎矩為主,受力方式與簡單直線段剪力墻近似[8]。為簡化模型,根據簡單直線段剪力墻的研究方法對豎板進行研究。

2.3 鋼筋混凝土底板

底板的受力主要以彎矩和剪應力為主,為便于研究,將底板視為倒置的連續梁,不考慮底板與地基土之間的相互作用,通過倒梁法[9]對底板進行研究。

2.4 鋼筋混凝土短樁

短樁整體都埋置于地基土里,主要的受力為側阻力和端阻力,為簡化模型,采用靜壓法沉樁[10-12]的方法對短樁進行研究。

3 箱式路基有限元模型建立

3.1 分析模型參數選取

以箱式路基頂板和豎板連接節點為研究對象,H為腋高度;L為腋長度;α為腋角度,所加腋沿線路方向長度為20 m,如圖2所示。通過控制變量的方法,先假設最優的腋高度為400 mm,依次增大腋角度,通過分析節點處的應力集中減小值確定最優腋角度區間。之后固定腋角度為60°,依次增大腋高度,通過分析節點處的應力集中減少值確定最優腋高度區間。

圖2 箱式路基節點構造Fig.2 Box subgrade node structure

3.2 模型建立

采用ABAQUS軟件進行數值模擬[13-14]。通過細化網格的試驗方法劃分網格,對加腋部位局部細化,如圖3所示。箱式路基各部件之間均通過綁定連接,鋼筋均Embedded Region于混凝土部件中。該模型通過在鋼軌上間隔5.5 m的距離施加兩對大小為85.0 kN靜力荷載[15-16]進行加載。箱式路基結構有限元模型的材料屬性見表1。

表1 箱式路基結構有限元模型材料屬性Tab.1 Material properties of finite element model of box subgrade structure

圖3 箱式路基加腋節點網格Fig.3 Grid of axillary nodes of box subgrade

4 箱式路基有限元結果分析

通過定義應力突變量降低比Sr值作為應力突變減小效果的評價指標,Sr值為無量綱值,Sr值越小,應力突變減小效果越明顯,其表達式如式(1)所示。

Sr=σ1/σ0

(1)

式中,σ1為加腋節點處的應力變化量;σ0為不加腋節點處的應力變化量。

通過控制變量法[17],對上述13個模型進行數值分析[18-19],得到箱式路基未加固節點和加腋加固節點的應力突變值,并對所加不同腋的腋角度和腋高度進行參數化分析[20-21]。

4.1 腋角度對節點影響分析

加腋加固節點的方式比節點處鋼筋機械連接的方式在減小應力集中方面效果顯著,在工程中備受青睞,不同腋角度對節點處的應力集中又有不同程度的減弱。為研究腋角度變化對節點區域的具體影響,模型先固定腋高度為400 mm,設置腋角度分別為15°,30°,45°,60°,75°。腋角度參數明細如表2所示。

ABAQUS路徑創建:選取圖1(a)左側豎板中心線為路徑所在直線,起始點為頂板與豎板接觸面正上方0.25 m處,結束點為頂板與豎板接觸面正下方0.75 m處,路徑總長度為1.0 m。

通過有限元軟件計算分析,工況GJ節點處應力值較大,應力差值同樣較大,工況SJY-4節點處較小的應力值比工況GJ中的多,且應力差值比工況GJ有較大幅度縮小,工況SJY-10節點處較小的應力值比工況SJY-4中的多,且應力差值比工況SJY-4有一定幅度縮小。如圖4所示。

圖4 不同工況加腋節點處應力云圖(單位:Pa)Fig.4 Stress nephogram at axillary nodes under different working conditions (unit: Pa)

表3給出了當腋長度為400 mm時,不同工況加腋節點處的應力突變量,在此基礎上做進一步分析。

表3 不同工況節點應力突變量Tab.3 Sudden change of node stress under different working conditions

未加腋工況與加腋加固工況沿路徑方向的應力均增大,兩種工況在節點處均產生應力集中,未加腋工況在節點處發生大幅度的應力突變,而加腋加固工況在節點處發生小幅度的應力突變,如圖5所示。這說明通過加腋的方式可以有效減小節點處的應力集中現象。

圖5 沿路徑方向的應力變化Fig.5 Stress variation along the path direction

不同腋角度工況下的Sr值變化如圖6所示。由圖6可以看出,對節點進行加腋加固后,節點處的應力突變量降低比Sr值均有不同幅度的減小。當加腋角度范圍為15°～60°之間時,隨著加腋角度增大,Sr值不斷減小;當加腋角度范圍為60°～75°之間時,隨著加腋角度增大,Sr不斷增大。在實際工程中,增大腋角度往往帶來較大的經濟成本,故建議根據工程實際選擇適宜的腋角度。

圖6 不同腋角度工況的Sr值變化Fig.6 Sr value changes under different axillary angles

綜上所述,在考慮經濟成本的前提下,當腋高度固定為400 mm時,最優腋角度在SJY-3與SJY-4工況之間取得,即腋角度取值在45°～60°之間時,節點處應力突變量減小值的范圍為41.81～86.91 kPa,應力突變量降低比范圍為4.59×10-2～9.54×10-2。

4.2 腋高度對節點影響分析

通過上述分析,最優腋角度范圍為45°～60°,通過固定腋角度為60°,分析采用不同腋高度對節點處應力突變的影響。設置腋高度分別為100,200,300,400,500,600,700 mm。腋高度參數明細如表4所示。

表4 腋高度參數明細Tab.4 Details of axillary height parameters

表5給出了當腋角度為60°時,不同工況的節點應力突變量,在此基礎上做進一步分析。

表5 不同工況節點應力突變量Tab.5 Sudden change of node stress under different working conditions

不同腋長度工況下的Sr值變化如圖7所示。

圖7 不同腋長度工況的Sr值變化Fig.7 Changes of Sr value under different axillary length conditions

由圖7可以看出,對節點進行加腋加固后,節點處的應力突變量降低比Sr值均有不同幅度的減小。隨著加腋長度增大,Sr值整體上呈減小趨勢,當腋長度在100～200 mm時,Sr值下降迅速,當腋長度在200～400 mm時,Sr值下降緩慢。當腋長度為400 mm之后,再增大腋長度,Sr值無明顯幅度的減小,即節點處的應力集中減小效果不明顯。在實際工程中增大腋長度往往帶來比較大的經濟成本,故建議根據工程實際選擇適宜的腋角度。

4.3 最優加腋工況與其他工況對比分析

通過前文分析,在考慮經濟成本的前提下,最優腋角度在45°～60°之間,最優腋長度在300～400 mm之間,取腋角度為60°,腋長度為400 mm作為最優工況加腋。最優工況與其他工況應力突變量如表6所示。

表6 最優加腋工況與其他工況對比Tab.6 Comparison of optimal axillary conditions with other conditions

最優加腋工況與其他工況對比如圖8所示。

圖8 最優加腋工況與其他工況對比Fig.8 Comparison between optimal axillary condition and other conditions

由圖8可以看出,在SJY-1工況與SJY-4工況之間,節點處應力突變量呈減小趨勢,但減幅較小,在SJY-4工況與SJY-6工況之間,節點處應力突變量呈增大趨勢,且增幅較大;在SJY-6工況與SJY-12工況之間,節點處應力突變量整體上呈減小趨勢。SJY-4工況相比其他工況具有最小的節點應力突變量,并且和箱式路基豎板高度與厚度、頂板跨度與厚度的變化無關[3]。

5 結論

(1)固定腋高度為400 mm,當腋角度在15°～60°之間時,隨著腋角度增大,Sr值不斷減小,當腋角度在60°～75°之間時,隨著腋角度增大,Sr值不斷增大,在考慮經濟成本的前提下,最優腋角度在45°～60°之間。在此區間內,節點處應力突變量減小值的范圍為41.81～86.91 kPa,應力突變降低比范圍為4.59×10-2～9.54×10-2。

(2)腋長度對減小節點處應力集中作用效果顯著,隨著加腋長度增大,Sr值整體上呈減小趨勢,在考慮經濟成本的前提下,當腋角度固定為60°時,最優腋長度在300～400 mm之間。在此區間內,節點處應力突變量減小值的范圍為62.13～119.33 kPa,應力突變降低比范圍為6.82×10-2～1.31×10-1。

(3)箱式路基豎板高度與厚度、頂板跨度與厚度變化時,最優的腋布置形式不會發生變化,結論具有普適性。