蘭新二線擋風板靜載試驗研究

田林杰，王起才，2，王元，杜迎東

（1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070；2.道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅蘭州730070）

蘭新二線擋風板靜載試驗研究

田林杰1，王起才1，2，王元1，杜迎東1

（1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070；2.道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅蘭州730070）

新建蘭州至烏魯木齊第2客運專線，是世界上首條穿越大風區的高速鐵路，設置合理可靠的擋風結構對于其運輸安全有重大意義。本文依據鋼筋混凝土結構計算的假設理論和計算方法，結合擋風板的受力特點，推導出擋風板的開裂彎矩、開裂時最大風荷載和跨中撓度計算公式，并采用合理的加載方式，對擋風板進行靜載開裂破壞試驗。試驗值與計算值之間的對比結果表明，本文推導公式有較好精度，現場試驗應用效果良好。

擋風板；開裂彎矩；最大風荷載；撓度；靜載試驗

蘭新鐵路是我國“八縱八橫”鐵路網主骨架之一，線路全長1 766 km，由于特殊的地理位置，蘭新鐵路第二雙線需要穿越5大風區，穿越大風地區總長度近580 km［1］。由于風害是本線特有的困難和特殊問題［2］，通過設置防風結構解決大風區高速鐵路防風技術難題，對蘭新第二雙線的順利建成，建成鐵路的運輸安全乃至今后西部內陸地區的高速鐵路建設均有重大意義。

沿線設立的L形擋風墻露在地面以上的部分體積小，占用路肩少，結構合理［3］。為了保證擋風板的可靠性，對擋風板進行靜載試驗，推出擋風板的開裂彎矩和發生開裂時的跨中撓度計算公式，為深入研究擋風板防治風害提供合理條件。

1　公式推算

1.1計算依據

試驗表明，適筋混凝土梁正截面受彎的全過程可劃分為3個階段：未裂階段、裂縫階段和破壞階段［4］。

1）第1階段：混凝土開裂前的未裂階段

開始加載時，由于彎矩很小，沿梁高的纖維應變隨梁高呈直線分布，梁的工作情況與勻質彈性梁相似，應力與應變成正比。當荷載不斷增大時，受拉區混凝土出現塑性變形，應力圖形呈曲線。當荷載增大到某一值時，受拉區邊緣混凝土達到其抗拉強度和抗拉極限應變值，截面處于開裂前的臨界狀態，稱為第Ⅰa階段。

2）第2階段：混凝土開裂后至鋼筋屈服前的裂縫階段

截面受力達第Ⅰa階段后，當荷載再增大時，截面開裂，混凝土原來承擔的那一部分拉力轉給鋼筋，裂縫處混凝土不再受拉，裂縫截面中和軸位置上移，受拉區的拉力主要有鋼筋承擔。當荷載增大到某一值時，受拉區縱向鋼筋達到其屈服強度，稱為第Ⅱa階段。

3）第3階段：鋼筋開始屈服至截面破壞的破壞階段

鋼筋屈服時，裂縫寬度擴展并沿梁高上移，中和軸繼續上移，受壓區高度進一步減小，此時受壓區混凝土應變也迅速增長，塑性特征表現更為充分。當裂縫繼續開展，受壓區混凝土出現縱向裂縫時，混凝土被完全壓碎，截面發生破壞，稱為第Ⅲa階段。

由于Ⅰa階段混凝土沒有開裂，受壓區混凝土應力圖是直線，彎矩與截面曲率基本上是直線關系，所以采用Ⅰa階段作為擋風板抗裂程度的計算依據。

1.2基本假定

1）平截面假定：假定構件截面的應變沿截面高度呈線性分布［5］。

2）構件截面受拉區應力關系，可通過引入彈塑性高度比為1∶1的等效梯形模型［6］來分析。

3）受拉作用對混凝土構件影響很小，當構件出現裂縫時，混凝土平均拉應變其中，εtp為混凝土達到自身受拉強度時的應變。假設混凝土即將開裂時εtu=2εtp，且鋼筋強度小于屈服強度，應力呈線性分布［7］。混凝土和鋼筋的應力-應變關系如圖1所示。其中，ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值。

圖1　材料應力-應變關系

4）構件鄰近開裂時，由于鋼筋應變εs很小，故看作和混凝土極限拉應變εtu相等［8］。

1.3計算公式

根據以上計算依據和基本假定，繪制如圖2所示的擋風板截面計算圖。其中，as，a's分別為擋風板受拉、壓側保護層厚度與對應受力鋼筋半徑之和；As，A's分別為擋風板受拉、壓側受力鋼筋面積；h為擋風板高度；b為擋風板厚度；Xcr是裂縫即將出現時構件受壓區高度。

據圖2可計算出鋼筋和混凝土的應變及應力。

圖2　擋風板截面計算圖式

求解得到受壓區高度

擋風板開裂時的彎矩

擋風板單元結構受力如圖3所示。圖3上部為擋風結構立面圖，下部為擋風結構俯視圖。由圖可知，擋風墻由若干擋風板拼裝而成，擋風板嵌入在兩邊的立柱卡槽內。

圖3　擋風單元結構受力

在地形開闊平坦的地帶，當均勻風速受阻時，風速將在擋風結構上重新分布［9］，按照底部為0，頂部最大的規律重分布。整個擋風板頂部均受到最大風荷載qf為最不利情況，把圖3中兩個立柱卡槽當做擋風板的約束支座，設擋風板高度為h，其計算簡圖如圖4所示。

圖4　擋風板受力變形簡圖

根據已推算出的擋風板開裂彎矩Mcr，可得擋風板發生開裂時的最大風荷載為

擋風板開裂時，跨中撓度為［10］

式中：E為擋風板彈性模量，由于擋風板配筋率較小，可近似用混凝土的彈性模量來代替鋼筋混凝土的彈性模量；I為構件橫截面對彎曲中性軸的慣性矩。

2　試驗研究

2.1試驗對象

本次靜載試驗選取4種不同規格的擋風板，具體參數如表1所示。擋風板混凝土強度等級為C35，鋼筋采用HRB335級，受拉側和受壓側混凝土保護層厚度相等。

2.2加載方案

作用于擋風墻上的力主要有水平風力、自重力、地基反力和地基水平抗力。考慮到橫向加載難以實現，故將預制好的擋風板水平放置進行加載。水平放置要考慮結構的自重，加載總重減去結構的自重即為所加荷載值。根據現場的情況，選取鋼板和砂袋對擋風板加載。試驗采用3個應變片，均勻平行貼在試驗擋風板跨中處下側，擋風板內部埋置鋼筋應力計。擋風板加載示意如圖5。

表1　擋風板規格

圖5　試驗擋風板加載示意

由于風荷載的脈動性較難模擬，為了能夠準確反映荷載變化與板跨中位移、鋼筋應變、混凝土應變的關系，采用逐級加載的方式加載，加載幅度根據式（3）計算的最大風荷載確定，依次為0.6qf→0.8qf→1.0qf→1.2qf→1.4qf→1.6qf→…→構件破壞→結束。加載至計算所得開裂荷載1.0qf時，應減小加載幅度，并隨時觀測構件開裂情況，記錄構件開裂時的荷載值。

2.3試驗結果

1）分析擋風板Ⅰ、擋風板Ⅱ、擋風板Ⅲ、擋風板Ⅳ在試驗過程中所加荷載值和混凝土的拉應力關系，得圖6所示曲線。

圖6　擋風結構荷載-混凝土拉應力

2）比較擋風板開裂時的試驗值和計算值，見表2。擋風板的最大風荷載qf的試驗值與計算值比值的標準差為0.062，跨中撓度試驗值與計算值比值的標準差為0.039，推導公式有較好的精度。

表2　試驗結果

3）根據《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）［11］，風荷載強度按下式計算。

式（5）中：W為計算風壓值；K1為風載體型系數，按照文獻［11］表4.4.1取1.3；K2為風壓高度變化系數，按照文獻［11］表4.4.1取1.0；K3為地形地理條件系數，擋風結構尺寸不同，K3取值不同，這里取不同型號擋風結構中的最不利值1.4；W0為基本風壓值，按W0= v2/1 600計算（v為風速，選取沿線的最大風速v= 60 m/s［12］）。得最大計算風壓值4.1 kN/m2，均小于計算和試驗所得使擋風板開裂的最大風壓值qf和q'f，故擋風板的設計安全。

3　結論

本文依據已有關于鋼筋混凝土結構計算的基本假定和計算公式，通過繪制擋風板結構受力圖，推導出擋風板的極限開裂彎矩、發生開裂時的最大風荷載和跨中撓度的計算公式。依據擋風板發生開裂時的最大風荷載值，設置逐級加載方案，觀測擋風板開裂前后的應力和撓度變化。通過對比分析擋風板開裂時的最大風荷載和跨中撓度的計算值與試驗值可知，推導公式有較好的精度，現場試驗效果良好。

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［3］孫成訪，董漢雄，胡智煒.蘭新鐵路百里風區擋風墻設計［J］.鐵道建筑，2009（6）：95-96.

［4］程文瀼.混凝土結構［M］.北京：中國建筑工業出版社，2005.

［5］高盈丹，丁自強.正截面抗裂計算的分析研究［J］.鄭州工學院學報，1987，8（1）：29-30.

［6］過鎮海，張秀琴.砼受拉應力-應變全曲線研究［J］.建筑結構學報，1988，4（4）：45-53.

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［8］王元，王起才.防風板開裂彎矩計算及試驗研究［J］.鐵道建筑，2013（9）：6-7.

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［11］中華人民共和國鐵道部.TB 100021—2005鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2005.

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（責任審編趙其文）

Static Loading Test Study on Windshield on Lanzhou－Xinjiang Second Railway

TIAN Linjie1，WANG Qicai1，2，WANG Yuan1，DU Yingdong1
（1.College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China；2.Road and Bridge Engineering Disaster Prevention and Control Technology National Local Joint Engineering Laboratory，Lanzhou Gansu 730070，China）

An new second passenger dedicated railway cross Lanzhou to Urumqi is the world's first high speed railway crossing wind region，so setting reasonable and reliable wind structure for transport safety is of great significance.Based on the theory and calculation method of the calculation of reinforced concrete structure，combined with the force characteristics of the wind shield，the formulae for calculating the cracking moment，maximum wind load and the mid-span deflection of the wind shield were derived.T he test of static cracking and failure of the windshield was carried out by using the reasonable loading method.T he comparison between the measured and calculated results show that the formulae have a better precision，field test has good effect.

W indshield；Cracking moment；M aximum wind load；Deflection；Static loading test

U213.1+54

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.12

1003-1995（2016）10-0042-04

2016-05-30；

2016-07-25

長江學者和創新團隊發展計劃（IRT15R29）

田林杰（1992—），男，碩士研究生。

王起才（1962—），男，教授。