蘭新二線擋風(fēng)板靜載試驗(yàn)研究

田林杰，王起才，2，王元，杜迎東

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070）

蘭新二線擋風(fēng)板靜載試驗(yàn)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(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070）

新建蘭州至烏魯木齊第2客運(yùn)專線，是世界上首條穿越大風(fēng)區(qū)的高速鐵路，設(shè)置合理可靠的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)于其運(yùn)輸安全有重大意義。本文依據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算的假設(shè)理論和計(jì)算方法，結(jié)合擋風(fēng)板的受力特點(diǎn)，推導(dǎo)出擋風(fēng)板的開裂彎矩、開裂時(shí)最大風(fēng)荷載和跨中撓度計(jì)算公式，并采用合理的加載方式，對(duì)擋風(fēng)板進(jìn)行靜載開裂破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)值與計(jì)算值之間的對(duì)比結(jié)果表明，本文推導(dǎo)公式有較好精度，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用效果良好。

擋風(fēng)板；開裂彎矩；最大風(fēng)荷載；撓度；靜載試驗(yàn)

蘭新鐵路是我國(guó)“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之一，線路全長(zhǎng)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(fēng)區(qū)，穿越大風(fēng)地區(qū)總長(zhǎng)度近580 km［1］。由于風(fēng)害是本線特有的困難和特殊問(wèn)題［2］，通過(guò)設(shè)置防風(fēng)結(jié)構(gòu)解決大風(fēng)區(qū)高速鐵路防風(fēng)技術(shù)難題，對(duì)蘭新第二雙線的順利建成，建成鐵路的運(yùn)輸安全乃至今后西部?jī)?nèi)陸地區(qū)的高速鐵路建設(shè)均有重大意義。

沿線設(shè)立的L形擋風(fēng)墻露在地面以上的部分體積小，占用路肩少，結(jié)構(gòu)合理［3］。為了保證擋風(fēng)板的可靠性，對(duì)擋風(fēng)板進(jìn)行靜載試驗(yàn)，推出擋風(fēng)板的開裂彎矩和發(fā)生開裂時(shí)的跨中撓度計(jì)算公式，為深入研究擋風(fēng)板防治風(fēng)害提供合理?xiàng)l件。

1　公式推算

1.1計(jì)算依據(jù)

試驗(yàn)表明，適筋混凝土梁正截面受彎的全過(guò)程可劃分為3個(gè)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(shí)，由于彎矩很小，沿梁高的纖維應(yīng)變隨梁高呈直線分布，梁的工作情況與勻質(zhì)彈性梁相似，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。當(dāng)荷載不斷增大時(shí)，受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)力圖形呈曲線。當(dāng)荷載增大到某一值時(shí)，受拉區(qū)邊緣混凝土達(dá)到其抗拉強(qiáng)度和抗拉極限應(yīng)變值，截面處于開裂前的臨界狀態(tài)，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(dá)第Ⅰa階段后，當(dāng)荷載再增大時(shí)，截面開裂，混凝土原來(lái)承擔(dān)的那一部分拉力轉(zhuǎn)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(qū)的拉力主要有鋼筋承擔(dān)。當(dāng)荷載增大到某一值時(shí)，受拉區(qū)縱向鋼筋達(dá)到其屈服強(qiáng)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(shí)，裂縫寬度擴(kuò)展并沿梁高上移，中和軸繼續(xù)上移，受壓區(qū)高度進(jìn)一步減小，此時(shí)受壓區(qū)混凝土應(yīng)變也迅速增長(zhǎng)，塑性特征表現(xiàn)更為充分。當(dāng)裂縫繼續(xù)開展，受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)縱向裂縫時(shí)，混凝土被完全壓碎，截面發(fā)生破壞，稱為第Ⅲa階段。

由于Ⅰa階段混凝土沒(méi)有開裂，受壓區(qū)混凝土應(yīng)力圖是直線，彎矩與截面曲率基本上是直線關(guān)系，所以采用Ⅰa階段作為擋風(fēng)板抗裂程度的計(jì)算依據(jù)。

1.2基本假定

1）平截面假定：假定構(gòu)件截面的應(yīng)變沿截面高度呈線性分布［5］。

2）構(gòu)件截面受拉區(qū)應(yīng)力關(guān)系，可通過(guò)引入彈塑性高度比為1∶1的等效梯形模型［6］來(lái)分析。

3）受拉作用對(duì)混凝土構(gòu)件影響很小，當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫時(shí)，混凝土平均拉應(yīng)變其中，εtp為混凝土達(dá)到自身受拉強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變。假設(shè)混凝土即將開裂時(shí)εtu=2εtp，且鋼筋強(qiáng)度小于屈服強(qiáng)度，應(yīng)力呈線性分布［7］。混凝土和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。其中，ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1　材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

4）構(gòu)件鄰近開裂時(shí)，由于鋼筋應(yīng)變?chǔ)舠很小，故看作和混凝土極限拉應(yīng)變?chǔ)舤u相等［8］。

1.3計(jì)算公式

根據(jù)以上計(jì)算依據(jù)和基本假定，繪制如圖2所示的擋風(fēng)板截面計(jì)算圖。其中，as，a's分別為擋風(fēng)板受拉、壓側(cè)保護(hù)層厚度與對(duì)應(yīng)受力鋼筋半徑之和；As，A's分別為擋風(fēng)板受拉、壓側(cè)受力鋼筋面積；h為擋風(fēng)板高度；b為擋風(fēng)板厚度；Xcr是裂縫即將出現(xiàn)時(shí)構(gòu)件受壓區(qū)高度。

據(jù)圖2可計(jì)算出鋼筋和混凝土的應(yīng)變及應(yīng)力。

圖2　擋風(fēng)板截面計(jì)算圖式

求解得到受壓區(qū)高度

擋風(fēng)板開裂時(shí)的彎矩

擋風(fēng)板單元結(jié)構(gòu)受力如圖3所示。圖3上部為擋風(fēng)結(jié)構(gòu)立面圖，下部為擋風(fēng)結(jié)構(gòu)俯視圖。由圖可知，擋風(fēng)墻由若干擋風(fēng)板拼裝而成，擋風(fēng)板嵌入在兩邊的立柱卡槽內(nèi)。

圖3　擋風(fēng)單元結(jié)構(gòu)受力

在地形開闊平坦的地帶，當(dāng)均勻風(fēng)速受阻時(shí)，風(fēng)速將在擋風(fēng)結(jié)構(gòu)上重新分布［9］，按照底部為0，頂部最大的規(guī)律重分布。整個(gè)擋風(fēng)板頂部均受到最大風(fēng)荷載qf為最不利情況，把圖3中兩個(gè)立柱卡槽當(dāng)做擋風(fēng)板的約束支座，設(shè)擋風(fēng)板高度為h，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4　擋風(fēng)板受力變形簡(jiǎn)圖

根據(jù)已推算出的擋風(fēng)板開裂彎矩Mcr，可得擋風(fēng)板發(fā)生開裂時(shí)的最大風(fēng)荷載為

擋風(fēng)板開裂時(shí)，跨中撓度為［10］

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

2　試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)對(duì)象

本次靜載試驗(yàn)選取4種不同規(guī)格的擋風(fēng)板，具體參數(shù)如表1所示。擋風(fēng)板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，鋼筋采用HRB335級(jí)，受拉側(cè)和受壓側(cè)混凝土保護(hù)層厚度相等。

2.2加載方案

作用于擋風(fēng)墻上的力主要有水平風(fēng)力、自重力、地基反力和地基水平抗力?？紤]到橫向加載難以實(shí)現(xiàn)，故將預(yù)制好的擋風(fēng)板水平放置進(jìn)行加載。水平放置要考慮結(jié)構(gòu)的自重，加載總重減去結(jié)構(gòu)的自重即為所加荷載值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，選取鋼板和砂袋對(duì)擋風(fēng)板加載。試驗(yàn)采用3個(gè)應(yīng)變片，均勻平行貼在試驗(yàn)擋風(fēng)板跨中處下側(cè)，擋風(fēng)板內(nèi)部埋置鋼筋應(yīng)力計(jì)。擋風(fēng)板加載示意如圖5。

表1　擋風(fēng)板規(guī)格

圖5　試驗(yàn)擋風(fēng)板加載示意

由于風(fēng)荷載的脈動(dòng)性較難模擬，為了能夠準(zhǔn)確反映荷載變化與板跨中位移、鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變的關(guān)系，采用逐級(jí)加載的方式加載，加載幅度根據(jù)式（3）計(jì)算的最大風(fēng)荷載確定，依次為0.6qf→0.8qf→1.0qf→1.2qf→1.4qf→1.6qf→…→構(gòu)件破壞→結(jié)束。加載至計(jì)算所得開裂荷載1.0qf時(shí)，應(yīng)減小加載幅度，并隨時(shí)觀測(cè)構(gòu)件開裂情況，記錄構(gòu)件開裂時(shí)的荷載值。

2.3試驗(yàn)結(jié)果

1）分析擋風(fēng)板Ⅰ、擋風(fēng)板Ⅱ、擋風(fēng)板Ⅲ、擋風(fēng)板Ⅳ在試驗(yàn)過(guò)程中所加荷載值和混凝土的拉應(yīng)力關(guān)系，得圖6所示曲線。

圖6　擋風(fēng)結(jié)構(gòu)荷載-混凝土拉應(yīng)力

2）比較擋風(fēng)板開裂時(shí)的試驗(yàn)值和計(jì)算值，見表2。擋風(fēng)板的最大風(fēng)荷載qf的試驗(yàn)值與計(jì)算值比值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.062，跨中撓度試驗(yàn)值與計(jì)算值比值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.039，推導(dǎo)公式有較好的精度。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

3）根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）［11］，風(fēng)荷載強(qiáng)度按下式計(jì)算。

式（5）中：W為計(jì)算風(fēng)壓值；K1為風(fēng)載體型系數(shù)，按照文獻(xiàn)［11］表4.4.1取1.3；K2為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按照文獻(xiàn)［11］表4.4.1取1.0；K3為地形地理?xiàng)l件系數(shù)，擋風(fēng)結(jié)構(gòu)尺寸不同，K3取值不同，這里取不同型號(hào)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)中的最不利值1.4；W0為基本風(fēng)壓值，按W0= v2/1 600計(jì)算（v為風(fēng)速，選取沿線的最大風(fēng)速v= 60 m/s［12］）。得最大計(jì)算風(fēng)壓值4.1 kN/m2，均小于計(jì)算和試驗(yàn)所得使擋風(fēng)板開裂的最大風(fēng)壓值qf和q'f，故擋風(fēng)板的設(shè)計(jì)安全。

3　結(jié)論

本文依據(jù)已有關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本假定和計(jì)算公式，通過(guò)繪制擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)受力圖，推導(dǎo)出擋風(fēng)板的極限開裂彎矩、發(fā)生開裂時(shí)的最大風(fēng)荷載和跨中撓度的計(jì)算公式。依據(jù)擋風(fēng)板發(fā)生開裂時(shí)的最大風(fēng)荷載值，設(shè)置逐級(jí)加載方案，觀測(cè)擋風(fēng)板開裂前后的應(yīng)力和撓度變化。通過(guò)對(duì)比分析擋風(fēng)板開裂時(shí)的最大風(fēng)荷載和跨中撓度的計(jì)算值與試驗(yàn)值可知，推導(dǎo)公式有較好的精度，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好。

［1］王爭(zhēng)鳴.蘭新高鐵穿越大風(fēng)區(qū)線路選線及防風(fēng)措施設(shè)計(jì)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2015，32（1）：2-3.

［2］賈國(guó)裕.蘭新鐵路大風(fēng)災(zāi)害及其對(duì)策［J］.路基工程，2008，2（2）：195-197.

［3］孫成訪，董漢雄，胡智煒.蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2009（6）：95-96.

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［7］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50010—2010鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

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

［9］王學(xué)楷.蘭新鐵路擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)與施工［J］.路基工程，2012，28（5）：180-181.

［10］孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來(lái)泰.材料力學(xué)Ⅰ［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［11］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 100021—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［12］青兆麟，徐剛.擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)形式探討［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2013，3（3）：126-127.

（責(zé)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(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（IRT15R29）

田林杰（1992—），男，碩士研究生。

王起才（1962—），男，教授。