高速鐵路道岔連續(xù)梁支座上方預(yù)應(yīng)力孔道保護(hù)層厚度對梁體局部應(yīng)力的影響研究

李 強(qiáng),劉敬棉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

1 問題的提出

連續(xù)梁的施工順序?yàn)橄葷仓炷?然后再施加預(yù)應(yīng)力,最后再向預(yù)應(yīng)力管道灌漿。在管道灌漿前,支座上方預(yù)應(yīng)力孔道周圍混凝土在梁自重和預(yù)應(yīng)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(hù)層厚度對梁體局部應(yīng)力的影響進(jìn)行分析。

2 模型建立說明

本文以京滬高速鐵路某道岔連續(xù)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(jìn)行局部應(yīng)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(shí)際道岔梁結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上,本文采取預(yù)應(yīng)力孔道直徑d分別為10、20 cm兩種情況作出分析。根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)要求，最小預(yù)應(yīng)力鋼筋距離結(jié)構(gòu)表面不應(yīng)低于6 cm,每種情況考慮混凝土保護(hù)層厚度c分別為6,26,36,50 cm四種?？椎篱g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(jìn)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(jié)構(gòu)的對稱性,所有模型建模時取結(jié)構(gòu)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(shí)際支座處模擬支座可能會造成應(yīng)力集中,以致結(jié)果不準(zhǔn)確,把實(shí)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(jié)構(gòu)1/4模型圖

2.3 結(jié)構(gòu)受力

為方便分析比較,所有模型均考慮3組力：(1)結(jié)構(gòu)自重；(2)實(shí)際支座對梁體的豎向反力；(3)梁體側(cè)面剪力。在實(shí)際情況中,除上述3組力外,梁體側(cè)面還受軸力、彎矩、扭矩的作用,考慮預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(cè)面剪力：為支座反力減去結(jié)構(gòu)自重。

3 模型計(jì)算

3.1 預(yù)應(yīng)力管道直徑10 cm模型

結(jié)構(gòu)自重478.06 kN,實(shí)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(jì)算模型如圖4所示。

3.2 預(yù)應(yīng)力管道直徑20 cm模型

結(jié)構(gòu)自重473.76 kN,實(shí)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(jì)算模型如圖5所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力管道直徑10 cm模型

圖5 預(yù)應(yīng)力管道直徑20 cm模型

3.3 無孔道模型

結(jié)構(gòu)自重480.25 kN,實(shí)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(jì)算模型如圖6所示。

圖6 無孔道模型

4 計(jì)算結(jié)果與結(jié)論

4.1 計(jì)算結(jié)果

為了分析對比各種保護(hù)層厚度對梁體局部應(yīng)力的影響規(guī)律,將各種情況下的應(yīng)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(yīng)力 MPa

表2 孔道直徑10 cm管道周圍混凝土最大主拉、主壓應(yīng)力 MPa

表3 孔道直徑10 cm梁體底面混凝土最大主拉、主壓應(yīng)力 MPa

表4 孔道直徑20 cm梁體混凝土最大主拉、主壓應(yīng)力 MPa

表5 孔道直徑20 cm梁體底面混凝土最大主拉、主壓應(yīng)力 MPa

表6 無孔道梁體底面混凝土最大主拉、主壓應(yīng)力

孔道直徑20 cm對應(yīng)保護(hù)層6 cm第一主應(yīng)力云圖如圖7所示,第三主應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 混凝土保護(hù)層6 cm模型第一主應(yīng)力圖(d=20 cm)

圖8 混凝土保護(hù)層6 cm模型第三主應(yīng)力圖(d=20 cm)

4.2 結(jié)論及建議

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

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

(3)有預(yù)應(yīng)力孔道時,梁體的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力一般出現(xiàn)在孔道周圍。在孔道保護(hù)層厚6 cm情況下,結(jié)構(gòu)中梁底與孔道底部主拉應(yīng)力都很大,是由于保護(hù)層較薄,孔道的削弱使保護(hù)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(hù)層厚度設(shè)為6 cm是非常不安全的,這一區(qū)域受力相當(dāng)復(fù)雜,常規(guī)的局部加強(qiáng)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(yīng)力發(fā)生位置也逐步上移,主拉應(yīng)力逐漸下降,最終在50 cm保護(hù)層模型中,最大主拉應(yīng)力發(fā)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(jù)計(jì)算結(jié)果,隨著孔道的上移,主拉應(yīng)力逐漸下降,對于孔道直徑10 cm模型組中,當(dāng)保護(hù)層為36 cm時,主拉應(yīng)力接近《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)允許值的上限,因此在京滬預(yù)應(yīng)力混凝土道岔連續(xù)梁設(shè)計(jì)中,支座上方預(yù)應(yīng)力孔道的保護(hù)層厚度采用50 cm．

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