高速鐵路道岔連續梁支座上方預應力孔道保護層厚度對梁體局部應力的影響研究

李 強,劉敬棉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

1 問題的提出

連續梁的施工順序為先澆筑混凝土,然后再施加預應力,最后再向預應力管道灌漿。在管道灌漿前,支座上方預應力孔道周圍混凝土在梁自重和預應力作用下處于薄弱位置,很容易被壓碎。本文鑒于此對支座處混凝土保護層厚度對梁體局部應力的影響進行分析。

2 模型建立說明

本文以京滬高速鐵路某道岔連續梁(跨度30.9 m+2×32.7 m+30.9 m,截面高度305 cm)為例對中支座處橫斷面建立有限元模型進行局部應力分析,支座處梁斷面如圖1、圖2所示。

圖1 道岔梁橫隔板空間圖

圖2 橫隔板斷面尺寸(單位：cm)

2.1 模型尺寸的選取

在實際道岔梁結構尺寸的基礎上,本文采取預應力孔道直徑d分別為10、20 cm兩種情況作出分析。根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)要求，最小預應力鋼筋距離結構表面不應低于6 cm,每種情況考慮混凝土保護層厚度c分別為6,26,36,50 cm四種。孔道間距：d=10 cm時,a=20 cm；d=20 cm時,a=40 cm。另外考慮沒有孔道的模型進行比較。道岔梁斷面尺寸在梁縱向上有變化,但是在橫隔板處的變化比較小,所以所有模型均取支座中心斷面處尺寸。

2.2 模型的建立

考慮結構的對稱性,所有模型建模時取結構1/4作分析，同時加上由于對稱性所需要考慮的約束。由于考慮在實際支座處模擬支座可能會造成應力集中,以致結果不準確,把實際的支座縱向支承加在梁的頂面,最后使梁頂面支承受力為0。模型如圖3所示。

圖3 結構1/4模型圖

2.3 結構受力

為方便分析比較,所有模型均考慮3組力：(1)結構自重；(2)實際支座對梁體的豎向反力；(3)梁體側面剪力。在實際情況中,除上述3組力外,梁體側面還受軸力、彎矩、扭矩的作用,考慮預應力孔道削弱對支座處局部受力的影響主要來自豎向,在分析中采用了簡化的受力模式。

(1)結構自重：模型采用C50混凝土,容重取26 kN/m3。

(2)支座反力：面荷載15 MPa,作用位置為支座中心線下半徑39.8 cm的半圓范圍。

(3)梁體側面剪力：為支座反力減去結構自重。

3 模型計算

3.1 預應力管道直徑10 cm模型

結構自重478.06 kN,實際施加支反力合力-7 320.0 kN。橫截面面積為18.386 91 m2,施加面荷載剪力為-372.11 kN/m2。計算模型如圖4所示。

3.2 預應力管道直徑20 cm模型

結構自重473.76 kN,實際施加支反力合力-7 320.0 kN。橫截面面積為18.221 46 m2，施加面荷載剪力為-375.72 kN/m2。計算模型如圖5所示。

圖4 預應力管道直徑10 cm模型

圖5 預應力管道直徑20 cm模型

3.3 無孔道模型

結構自重480.25 kN,實際施加支反力合力-7 320.0 kN。橫截面面積為18.47 m2,施加面荷載剪力為-370.29 kN/m2。計算模型如圖6所示。

圖6 無孔道模型

4 計算結果與結論

4.1 計算結果

為了分析對比各種保護層厚度對梁體局部應力的影響規律,將各種情況下的應力狀況匯總,見表1～表6。

表1 孔道直徑10 cm梁體混凝土最大主拉、主壓應力 MPa

表2 孔道直徑10 cm管道周圍混凝土最大主拉、主壓應力 MPa

表3 孔道直徑10 cm梁體底面混凝土最大主拉、主壓應力 MPa

表4 孔道直徑20 cm梁體混凝土最大主拉、主壓應力 MPa

表5 孔道直徑20 cm梁體底面混凝土最大主拉、主壓應力 MPa

表6 無孔道梁體底面混凝土最大主拉、主壓應力

孔道直徑20 cm對應保護層6 cm第一主應力云圖如圖7所示,第三主應力云圖如圖8所示。

圖7 混凝土保護層6 cm模型第一主應力圖(d=20 cm)

圖8 混凝土保護層6 cm模型第三主應力圖(d=20 cm)

4.2 結論及建議

(1)從應力圖可以看出,所有模型除了支座周圍和孔道周圍應力偏大以外,其他地方應力都在混凝土抗壓抗拉容許應力以內,因此建議設計除全梁按常規配筋以外,在支座局部受壓區域和孔道周圍應配置局部加強鋼筋。

(2)保護層厚度由6 cm到50 cm,孔道直徑10 cm結構孔道周圍混凝土的最大主壓應力由48.6 MPa減小到8.02 MPa,最大主拉應力由5.48 MPa減小到1.36 MPa；孔道直徑20 cm結構孔道周圍混凝土的最大主壓應力由57.6 MPa減小到7.78 MPa,最大主拉應力由14.4 MPa減小到1.72 MPa。說明增加混凝土保護層厚度,對混凝土孔道局部應力改善比較明顯。

(3)有預應力孔道時,梁體的最大主拉應力和最大主壓應力一般出現在孔道周圍。在孔道保護層厚6 cm情況下,結構中梁底與孔道底部主拉應力都很大,是由于保護層較薄,孔道的削弱使保護層類似拱式梁受力。這也說明在支座受15 MPa(面荷載)左右的反力作用下,支座處保護層厚度設為6 cm是非常不安全的,這一區域受力相當復雜,常規的局部加強配筋不能滿足局部受力的需求。

(4)對于孔道直徑10 cm模型組，隨著孔道的上移，最大主拉應力發生位置也逐步上移,主拉應力逐漸下降,最終在50 cm保護層模型中,最大主拉應力發生在腹板下倒角處。這說明孔道位置上移到一定高度,可以忽略布置孔道對支座范圍的局部受力影響。

(5)根據計算結果,隨著孔道的上移,主拉應力逐漸下降,對于孔道直徑10 cm模型組中,當保護層為36 cm時,主拉應力接近《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)允許值的上限,因此在京滬預應力混凝土道岔連續梁設計中,支座上方預應力孔道的保護層厚度采用50 cm．

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