雙線鐵路“T”形托盤式頂帽應(yīng)力分析

穆 偉 田 璐

(1.重慶中設(shè)工程設(shè)計股份有限公司，重慶 404100; 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)鄭州設(shè)計院，河南 鄭州 450000)

雙線鐵路“T”形托盤式頂帽應(yīng)力分析

穆 偉1田 璐2

(1.重慶中設(shè)工程設(shè)計股份有限公司，重慶 404100; 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)鄭州設(shè)計院，河南 鄭州 450000)

為分析特殊的“T”形托盤式頂帽在荷載作用下應(yīng)力分布的特征及布筋特點，結(jié)合茂湛鐵路石門特大橋?qū)嵗捎每臻g有限元分析軟件MIDAS/Civil建立了三維實體模型，分析了該托帽強(qiáng)剪弱彎特性的應(yīng)力分布情況，并總結(jié)了其布筋要點，以保證托盤式頂帽的正常工作。

雙線鐵路，托盤式頂帽，有限元，實體模型，應(yīng)力

我國鐵路雙線簡支梁常規(guī)跨度數(shù)量多、范圍大、應(yīng)用廣，而橋墩頂帽、托盤為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位之一，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須重點考慮的結(jié)構(gòu)。大量調(diào)查資料表明在既有鐵路和新建鐵路簡支橋梁的橋墩頂帽及托盤(橫橋向)處發(fā)生了大量的豎向裂縫，已經(jīng)嚴(yán)重地影響到橋梁的使用。本部分主要作用為把上部結(jié)構(gòu)傳下的集中荷載均勻地分布到整個墩身截面上，本橋托盤式頂帽又不同于普通的常規(guī)頂帽構(gòu)造，由于縱橋向拉長后造成的類似局部短懸臂構(gòu)造，受力情況復(fù)雜,目前對于頂帽和托盤的設(shè)計一般按照深梁或者懸臂梁檢算[1],而對于通過支座傳遞到頂帽的局部應(yīng)力情況、頂帽和托盤內(nèi)部的應(yīng)力情況并不清楚，簡化的平面計算并不能確定其分布。因此,有必要采用空間實體有限元法,對橋墩的頂帽進(jìn)行空間的應(yīng)力分析，以指導(dǎo)設(shè)計保證頂帽的安全可靠。

1 “T”形托盤式頂帽設(shè)計概況

新建茂名至湛江鐵路為國鐵Ⅰ級[2]，雙線電氣化，V≤200 km/h客貨共線鐵路。其中石門特大橋孔跨布置形式為：13-32 m+6-35 m(T形墩+32上m)+10-32 m簡支梁，橋全長：981.76 m。本橋跨越石門港區(qū)，通航等級通行100 t級海輪，采用雙孔單向通航設(shè)置，通航孔凈寬30 m,橋梁孔徑需滿足通航凈寬和凈高以及公路35 m簡支梁對孔的要求[3]。另外為了裝配式，批量化施工及后期維修，更換的方便同樣采用32 m的跨度，這就要求本橋墩縱橋向拉寬，托盤處做成短懸臂狀以滿足要求。主要尺寸如下：縱橋向頂帽總寬度為5.2 m，橫橋向11.2 m，頂帽高0.8 m，托盤頂為圓端形(圓端半徑2.5 m)過渡到墩頂截面(圓端半徑為1.5 m)，托盤頂?shù)椎闹本€段長度6.0 m不變，橋墩為圓端形截面，直線段長6.0 m，半徑1.5 m,直坡。頂帽上部為T形實體塊，上部為類似道碴槽板結(jié)構(gòu)，縱橋向為2.2 m，橫橋向與梁頂面等寬直接承受鐵路荷載，具體見圖1。

2 三維實體有限元模型建立

由于本橋墩的特殊性，縱橋向拉寬過大導(dǎo)致不滿足TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[2]關(guān)于頂帽托盤與支座底板距離的要求，考慮到本規(guī)定主要為以往經(jīng)驗取值且主要針對托盤部分為素混凝土結(jié)構(gòu)的一項認(rèn)識[4，5]。本頂帽托盤采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建立有限元實體模型計算分析，保證結(jié)構(gòu)安全。

采用MIDAS/Civil軟件采用實體單元建立模型。由于墩身高度較大對本部分的影響不大,因此建模過程中未考慮墩高h(yuǎn)對托盤，頂帽應(yīng)力的影響,截取墩身3 m范圍內(nèi)的橋墩建模，模型底部按固接處理[6，7]。為了滿足分析的精度,在劃分單元時,加密了托盤頂帽段以及墩身過渡段的網(wǎng)格劃分。單元為六面體，全橋共劃分為10 640個單元。由于托盤頂帽部分主要為豎向力控制，水平力影響較小，故以雙線雙孔重載控制計算，活載采用“中—活載”,動力系數(shù)取1.1;恒載(按32 m雙線簡支T梁與二期恒載的總重計)，“T”塊部分采用均布荷載方式加載與頂帽頂。有限元模型如圖2所示。橫橋向為x軸,順橋向為y軸,沿墩高向上為z軸,原點位于墩頂以上0.7 m處的左側(cè)圓心處[11]。

材料特性:設(shè)計支承墊石為C40混凝土,采用彈性模量E=3.4×1010Pa,質(zhì)量密度2 500 kg/m3,泊松比μ=0.2,墩帽及托盤設(shè)計為C35混凝土,采用彈性模量E=3.3 ×1010Pa,質(zhì)量密度2 500 kg/m3,泊松比μ=0.2。鋼筋彈性模量E=2.0×1011Pa,質(zhì)量密度7 850 kg/m3,泊松比μ=0.3。

3 計算結(jié)果分析

3.1 正應(yīng)力及主拉應(yīng)力分析

3.1.1 頂帽頂面應(yīng)力分布

圖3為頂帽頂面順橋向正應(yīng)力σy的分布情況。圖3表明頂帽頂面σy在縱橋向墊石之間位置正值(拉應(yīng)力),最大拉應(yīng)力為1.05 MPa;在墊石正下方及周圍主要為壓應(yīng)力,最大壓應(yīng)力σz=3.2 MPa,但作用范圍集中,至頂帽四周的邊緣又變?yōu)楹苄〉睦瓚?yīng)力。圖4為頂帽頂面橫橋向應(yīng)力σx的分布情況,可以看出,兩支座中間處出現(xiàn)較大數(shù)值的局部橫向拉應(yīng)力，最大橫向正應(yīng)力值出現(xiàn)于中間兩墊石,外側(cè)墊石下最大可達(dá)0.86 MPa。頂面處混凝土的主拉應(yīng)力最大值為1.05 MPa。

3.1.2 頂帽底面應(yīng)力分布

由于本頂帽厚度為0.8 m,較厚，經(jīng)過應(yīng)力的擴(kuò)散，在頂帽與托盤交界面處最大橫橋向正應(yīng)力σx=0.68 MPa，位于頂帽邊緣橫橋向墊石連線處(見圖5)。最大順橋向正應(yīng)力σx=0.25 MPa，較為均勻的分布于墊石所包圍圈的核心區(qū)內(nèi)(見圖6)。主要表現(xiàn)為橫橋向受拉，最大主拉應(yīng)力0.68 MPa基本等同于橫橋向正應(yīng)力。整個頂帽范圍內(nèi)最大主拉應(yīng)力即正應(yīng)力均小于鐵路規(guī)范中有箍斜筋主拉應(yīng)力。

3.1.3 托盤應(yīng)力分布

整個托盤部分的主拉應(yīng)力正應(yīng)力基本分布較為均勻，從頂帽至墩頂主拉應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力擴(kuò)散梯度較小，僅在托盤與墩頂交界處附近的外緣出現(xiàn)壓應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力σz=1.3 MPa，最大正應(yīng)力及主拉應(yīng)力為0.3 MPa～0.4 MPa，主要分布于墊石投影下方頂帽底附近，且均小于鐵路規(guī)范[1]σ[tp-2](無箍斜筋主拉應(yīng)力)。

3.2 剪應(yīng)力分析

1)經(jīng)過計算截取兩個最不利截面進(jìn)行分析，其一沿縱橋向截取中間墊石下方截面，分析其剪應(yīng)力分布圖(見圖7)，該剖面最大剪應(yīng)力值出現(xiàn)于墊石處，并且在以墊石為中心在頂帽范圍內(nèi)呈倒鐘形分布，數(shù)值上大下小，中心大四周小，頂帽頂面處最大剪應(yīng)力值達(dá)到1.6 MPa，頂帽底面處最大剪應(yīng)力值為0.75 MPa，剪應(yīng)力在頂帽范圍內(nèi)應(yīng)力擴(kuò)散較快。托盤部分內(nèi)，由于托盤縱橋向尺寸拉伸形成的類短懸臂結(jié)構(gòu)，在整個懸臂范圍內(nèi)以及向中心延伸的0.5 m范圍內(nèi)剪應(yīng)力值范圍為0.4 MPa～0.7 MPa，在托盤與頂帽交接處出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，其數(shù)值最外層最大達(dá)到0.7 MPa。分布規(guī)律為外側(cè)大，中心小，總體均小于σ[tp-2](無箍斜筋主拉應(yīng)力)[1]但是大于σ[tp-3](梁部分長度內(nèi)全部有混凝土承受的主拉應(yīng)力)[1]。其余托盤部分均小于0.4 MPa且分布較為均勻。

2)Y=1.5 m處xz截面(見圖8)，該界面顯示剪應(yīng)力分布與圖7較為相似，剪應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)于墊石下，倒鐘形分布，大小數(shù)值也基本相同。頂帽以下部分剪應(yīng)力值均小于0.75 MPa，且更為均勻。其中在托盤與頂帽交接處更能顯示出剪應(yīng)力的集中情況，集中應(yīng)力分布區(qū)域厚度約為 0.3 m～0.4 m，所以在該交接截面呈環(huán)形剪應(yīng)力集中分布現(xiàn)象，但是數(shù)值并不大，最大值0.7 MPa。

4 綜合分析

對比分析本托盤式頂帽的正應(yīng)力與剪應(yīng)力結(jié)果可以看出，本結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出典型的強(qiáng)剪弱彎的特性，這也與本結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性較為一致，對比頂帽最大剪應(yīng)力/最大正應(yīng)力=1.45，托盤內(nèi)部最大剪應(yīng)力/最大正應(yīng)力=1.6。較大主拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在頂帽范圍以內(nèi)，其中最大主拉應(yīng)力位于墊石之間處，主拉應(yīng)力分布很不均勻，墊石下主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。托盤范圍內(nèi)主拉應(yīng)力較為均勻，且數(shù)值較小。剪應(yīng)力方面最大剪應(yīng)力主要在墊石下方附近呈倒鐘形，頂帽向下逐漸減小，梯度在頂帽范圍內(nèi)較大，托盤部分主要與墩身交界處出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，懸挑部分剪應(yīng)力大于中心部分，分布較為均勻。

5 設(shè)計要點

根據(jù)鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，最大主拉應(yīng)力及剪應(yīng)力均小于σ[tp-1]說明構(gòu)件尺寸滿足要求，針對本構(gòu)件主要的強(qiáng)剪弱彎特點，對剪應(yīng)力大于σ[tp-1](梁部分長度內(nèi)全由混凝土承受的主拉應(yīng)力)的部分，特別是墊石下方，頂帽及懸挑部分以及托盤墩身交界處范圍內(nèi)加強(qiáng)抗剪鋼筋，豎向鋼筋的配置[6]?？箯濅摻钪饕渲迷陧斆鄙喜坎糠?。頂帽內(nèi)正應(yīng)力及剪應(yīng)力梯度均較大，分布不均采用豎向及抗彎鋼筋均加強(qiáng)。在實際工程還應(yīng)考慮混凝土硬化過程所產(chǎn)生的溫差應(yīng)力和混凝土收縮引起的應(yīng)力差[4],列車橫向搖擺力和混凝土這種脆性材料在低周疲勞條件下抗拉強(qiáng)度的降低等因素，增加分布鋼筋可以一定程度上降低裂縫發(fā)生的概率[5]。從使用效果來看，目前本鐵路已竣工通車，結(jié)構(gòu)使用正常。

[1] 張 祥.橋梁墩臺懸臂深梁頂帽設(shè)計的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，1985(2)：11-18.

[2] TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].

[3] TB 10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 薛文敏.橋墩頂帽標(biāo)準(zhǔn)化建議[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，1982(12)：20.

[5] 胡槿初.我國鐵路橋墩臺頂帽構(gòu)造沿革[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,1987(5)：10-14.

[6] 鐵建設(shè)[2005]285號，新建時速200公里客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].

[7] 李新樂，竇慧娟.鋼筋混凝土橋墩頂帽豎向開裂原因分析及加固對策[J].鐵道建筑，2007(8)：69-71.

[8] 李 艷.雙線圓端形空心橋墩頂帽應(yīng)力分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(2)：35-37.

[9] 陳鴻熾.“寶瓶”式橋墩受力特性及鋼筋合理性布置的探討[J].福建建設(shè)科技，2005(2)：31-32.

[10] 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.MIDAS CIVIL2010分析設(shè)計原理[M].北京:北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司,2010.

[11] 邱順冬.橋梁工程軟件Midas civil應(yīng)用工程實例[M].北京:人民交通出版社,2011.

The stress analysis of T-bulk-head pier in double track railway

Mu Wei1Tian Lu2

(1.ChongqingZhongsheEngineeringDesignCo.,Ltd,Chongqing404100,China; 2.ZhengzhouDesignInstitute,ChinaRailwayEngineeringDesignConsultingGroupCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

This paper established three-dimensional solid model of the T-bulk-head pier which is applied in Shimen grand bridge of Mao-Zhan railway by finite element analysis software MIDAS/Civil and analyses the stress under load. The results show that the characteristics of strong shear weak bending and stress distribution in T-bulk-head pier is feasible to ensure the structure normal operation.

double track railway, the bulk-head pier, finite element, solid model, stress

1009-6825(2015)30-0163-03

2015-08-16

穆 偉(1985- )，男，工程師； 田 璐(1982- )，男，工程師

U441.5

A