大噸位錨具在客運(yùn)專線鐵路簡支箱梁的應(yīng)用研究

侯建軍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

1 概述

我國客運(yùn)專線鐵路建設(shè)中大量采用了整孔簡支箱梁,箱梁設(shè)計(jì)過程中錨具選取多為15孔以下錨具。但近些年大噸位錨具在一些大型橋梁工程建設(shè)中得到成功應(yīng)用,例如杭州灣跨海大橋70 m箱梁設(shè)計(jì)中22孔錨具的使用,使得大噸位錨具的優(yōu)勢將逐漸突現(xiàn)。箱梁采用大噸位錨具可有效地減少管道設(shè)置,減小管道空洞效應(yīng),同時(shí)也有效地減小結(jié)構(gòu)腹板厚度,降低結(jié)構(gòu)自重、降低工程造價(jià),具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,因此在鐵路簡支箱梁設(shè)計(jì)中開展大噸位錨具研究具有重要意義。

2 設(shè)計(jì)研究關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 錨下局部應(yīng)力分析

錨下局部應(yīng)力分析是大噸位錨具使用過程中重要一環(huán),大噸位預(yù)施應(yīng)力將使得錨墊板下混凝土區(qū)域產(chǎn)生較高的局部壓應(yīng)力和橫向拉應(yīng)力,拉應(yīng)力過大將使錨下混凝土產(chǎn)生裂縫, 且隨著荷載的長期作用,裂縫將不斷沿縱向發(fā)展延伸,嚴(yán)重影響箱梁結(jié)構(gòu)的耐久性。影響錨下混凝土局部應(yīng)力的因素包括錨墊板本身結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)置的錨下鋼筋(含螺旋筋)及錨具布置的邊距等。

開展大噸位錨具錨下局部應(yīng)力分析,并進(jìn)行局部實(shí)體模型模擬試驗(yàn),為大噸位錨具在鐵路簡支箱梁中的使用奠定基礎(chǔ)。

(1)空間模型分析

錨下應(yīng)力分析采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行。模擬OVM.M15A-27錨具建立模型,考慮其錨墊板、螺旋筋與錨下混凝土存在著復(fù)雜的傳力關(guān)系,綜合建模進(jìn)行分析。空間模型及其錨下混凝土應(yīng)力狀態(tài)見圖1～圖4。

圖2 錨墊板+螺旋筋模型

圖3 混凝土主拉應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖4 混凝土主壓應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從圖3、圖4可以看出,混凝土最大拉應(yīng)力在螺旋筋包圍的混凝土區(qū)域,部分超出了混凝土極限抗拉強(qiáng)度,但由于有螺旋筋套箍作用,混凝土還可以承受錨墊板傳遞過來的應(yīng)力而不至于破壞。而混凝土錨固區(qū)側(cè)表面拉應(yīng)力較小,最大值為3.1 MPa,小于混凝土實(shí)際抗拉極限強(qiáng)度,側(cè)表面不會(huì)開裂；混凝土的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在錨墊板下方,其應(yīng)力值很快逐漸趨于均勻,約為20 MPa,比混凝土軸心抗壓強(qiáng)度小得多,是安全的。

(2)實(shí)體局部模擬分析

為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果,建立局部實(shí)體模型模擬箱梁梁端錨固區(qū)進(jìn)行分析,模型尺寸及試驗(yàn)圖示見圖5～圖8,預(yù)應(yīng)力錨外張拉控制應(yīng)力采用0.78Fpk(鋼絞線特征極限抗拉力)。

圖5 模型斷面尺寸(單位：mm)

圖6 實(shí)體局部模擬試驗(yàn)

圖7 實(shí)體模型試驗(yàn)實(shí)景1

圖8 實(shí)體模型試驗(yàn)實(shí)景2

局部實(shí)體模型模擬箱梁梁端錨固區(qū)試驗(yàn)過程中,各測點(diǎn)的應(yīng)變變化與加載力相對(duì)應(yīng),加載過程中各測點(diǎn)應(yīng)變均勻變化,沒有發(fā)現(xiàn)因裂紋萌生而引起的異常突變,混凝土表面經(jīng)檢測,其在整個(gè)加載過程中未產(chǎn)生裂縫；錨下混凝土壓應(yīng)力符合規(guī)范要求。

2.2 構(gòu)造分析

(1)腹板厚度

箱梁腹板厚度設(shè)計(jì)不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強(qiáng)度要求,又要提供足夠的抗扭剛度,在滿足承載能力的同時(shí),也要保證預(yù)應(yīng)力管道有足夠的保護(hù)層,以避免管道的縱向裂縫。既有鐵路整孔簡支箱梁設(shè)計(jì)采用較小噸位的錨具,一般為控制在15孔以下,腹板采用雙排管道布置,使得腹板構(gòu)造要求最小厚度為450 mm。同等條件下采用大噸位錨具,可以減小腹板的構(gòu)造厚度,腹板采用22孔～27孔錨具時(shí),相應(yīng)管道直徑為120 mm,腹板構(gòu)造厚度可減小為360 mm,腹板厚度減小可有效降低結(jié)構(gòu)自重。

(2)張拉空間

由于大噸位錨具的使用,將增大施工作業(yè)的張拉空間,對(duì)現(xiàn)澆簡支箱梁而言,支點(diǎn)距離梁端距離需要增加,由采用小錨具設(shè)計(jì)時(shí)的750 mm增大到850 mm,以滿足施工需要。相應(yīng)橋墩設(shè)計(jì)時(shí)縱向尺寸也應(yīng)滿足箱梁架設(shè)需要。但對(duì)于預(yù)制結(jié)構(gòu),預(yù)施應(yīng)力在制梁場完成,不存在橋位張拉空間問題,無需調(diào)整支點(diǎn)距梁端距離。

2.3 經(jīng)濟(jì)比較分析

針對(duì)某客運(yùn)專線32 m整孔箱梁,對(duì)比分析采用大噸位錨具和常規(guī)小錨具設(shè)計(jì)的主要工程量及計(jì)算指標(biāo),方案1為大噸位錨具單排管道布置方式,方案2為常規(guī)小錨具雙排管道布置方式,具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 箱梁主要工程量及計(jì)算指標(biāo)對(duì)比

注：箱梁二期恒載按180 kN/m計(jì)算。

從表1可以看出,方案1和方案2在靜力計(jì)算指標(biāo)相近,但主要工程數(shù)量上方案1用量更少。降低了工程造價(jià),經(jīng)濟(jì)性較好。

2.4 張拉工藝分析

由于大噸位錨具的使用,大大減少了箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束束數(shù),簡化了制梁過程中的張拉工藝,有效地縮短了箱梁制造周期。同時(shí)由于腹板設(shè)置單排大噸位錨具,對(duì)張拉過程中箱梁對(duì)稱同步張拉的控制要求更加嚴(yán)格,避免引起箱梁橫向受力不均勻受壓導(dǎo)致梁端裂縫產(chǎn)生。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

東北地區(qū)某客運(yùn)專線中部分橋梁建設(shè)過程中,首次采用了大噸位錨具進(jìn)行箱梁設(shè)計(jì),箱梁采用支架現(xiàn)澆法施工。

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)尺寸

32 m跨簡支箱梁全長32.6 m,計(jì)算跨度30.9 m,為滿足大噸位錨具橋位張拉空間需要,梁端支點(diǎn)距取0.85 m。箱梁截面形式采用單箱單室,腹板采用單排管道布置方式,跨中腹板厚度為360 mm,梁端腹板厚度為1 000 mm,箱梁截面見圖9～圖10。

圖9 箱梁橫截面(單位：mm)

圖10 1/2箱梁縱截面(單位：mm)

(2)預(yù)應(yīng)力鋼束布置

32 m跨簡支箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束底板束采用16-φ15.2 mm,腹板束采用27-φ15.2 mm,梁端腹板采用27孔大噸位錨具錨固,為保證梁端混凝土錨下應(yīng)力不超限,錨具間距設(shè)置為550 mm,邊距設(shè)置為500 mm,具體預(yù)應(yīng)力筋布置見圖11。

圖11 預(yù)應(yīng)力筋截面布置(單位：mm)

(3)普通鋼筋設(shè)置

鑒于箱梁采用大錨具單排管道布置方式,截面腹板厚度較常規(guī)小錨具雙排管道方式小,箱梁截面抗彎、抗扭剛度有所降低,設(shè)計(jì)中加強(qiáng)了箱梁斜截面抗彎、抗剪及橫向抗扭的檢算。除合理進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束的縱向布置外,腹板設(shè)置了間距100 mm的φ16 mm螺紋鋼筋，保證箱梁斜截面抗彎及抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；同時(shí)設(shè)置間距100 mm的φ18 mm螺紋鋼筋滿足箱梁截面橫向抗扭要求。

3.2 工程實(shí)景

東北某客運(yùn)專線建設(shè)中,大噸位錨具在現(xiàn)澆簡支箱梁中的成功應(yīng)用,為其進(jìn)一步推廣使用提供了科學(xué)依據(jù),并積累了必要施工經(jīng)驗(yàn),部分工序?qū)嵕耙妶D12～圖15。

圖12 大噸位錨具張拉

圖13 大噸位錨具張拉錨固

圖14 大噸位錨具管道灌漿

圖15 成橋后全橋?qū)嵕?/p>

4 結(jié)語

大噸位錨具在鐵路簡支箱梁中推廣使用將是鐵路簡支箱梁設(shè)計(jì)發(fā)展的方向,但其進(jìn)一步推廣使用亟需解決2個(gè)問題：其一是施工設(shè)備機(jī)具匹配,由于大噸位錨具使用,相應(yīng)的張拉及測試等設(shè)備需配套更新； 其二是錨具相應(yīng)規(guī)范需進(jìn)一步完善,《鐵路工程預(yù)應(yīng)力筋用夾片式錨具、夾具和連接器技術(shù)條件》(TB/T3193—2008)中僅對(duì)21孔以下錨具相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行規(guī)定,未含22孔以上大噸位錨具的要求,而大噸位錨具構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響更為突出,建議根據(jù)國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(FIP)關(guān)于預(yù)應(yīng)力體系相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)大噸位錨具相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充完善,規(guī)范錨具產(chǎn)品市場。在完善相關(guān)技術(shù)條件和施工機(jī)具的基礎(chǔ)上,大噸位錨具在鐵路簡支梁的應(yīng)用必將有廣闊的前景。

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