高鐵32 m簡支箱梁梁端局部應力研究

邢雨

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300142）

0 引言

預應力混凝土簡支箱梁具有施工便捷、自重輕、受力簡單等特點，廣泛應用于我國客/貨運線路橋梁上。隨著我國高鐵技術(shù)的快速發(fā)展，國際高鐵項目也越來越多的采用中國高鐵標準，但在設計時需要考慮當?shù)匾恍┨厥獾男枨骩1,2]。為了提高簡支梁橋體系的抗震性能，本文對常用高鐵32 m簡支梁進行了重新設計，減小了梁體截面尺寸，采用了大規(guī)格預應力鋼束，梁體重量比我國常用高鐵簡支梁減輕約110 t。減小梁體尺寸并加大預應力規(guī)格后，梁端錨固位置局部應力集中問題較為突出，本文即以某境外項目高速鐵路32 m簡支梁設計為背景，對其梁端設計及優(yōu)化過程進行分析。

簡支梁梁體采用C50混凝土，梁長為32.6 m，計算跨度31.3 m，梁端位置頂板厚0.55 m，底板厚0.7 m，腹板厚0.8 m。在對32 m簡支梁優(yōu)化方案進行初步設計時，由于減隔震支座尺寸較大，導致梁端部預應力錨固體系布置較為困難，在相互協(xié)調(diào)后形成了初步的梁端截面和鋼束布置方案，見圖1。

基于ANSYS軟件對初步設計方案建立三維模型，梁體使用SOLID45單元[3,4]，網(wǎng)格密度0.1 m，對其進行受力分析，分析結(jié)果見圖2。

可以看出，梁端下梗脅處主拉應力最大可達7.7M Pa，且5M Pa以上范圍較大，如不采取優(yōu)化措施，則此處混凝土將出現(xiàn)較大裂縫。本文將逐一建立有限元模型分析[5,6]。

1 支座及預應力鋼束間距優(yōu)化

1.1 支座間距分析

將支座橫向間距由4.4 m調(diào)整為4.3m，見圖3，最大主拉應力仍為7.7 M Pa，應力范圍也沒有減小。

1.2 應力集中分析

取消自重、二期、活載等豎向荷載，僅對模型加載預應力，計算結(jié)果見圖4，最大主拉應力仍為7.7 M Pa；取消預應力，僅對模型施加豎向荷載，計算結(jié)果見圖5，最大主拉應力已大大降低，可見預應力荷載對此處主拉應力起主要作用[7,8]。

1.3 底腹板預應力鋼束優(yōu)化

初步設計方案中腹板束N5與底板束N6d間距較大，有可能因兩邊變形相差較大導致主拉應力較大，因此梁端布置做如下調(diào)整：底板鋼束規(guī)格由15-7Φ5調(diào)整為13-7Φ5，并在兩側(cè)增加各增加一根；腹板鋼束兩側(cè)各減少一根，但規(guī)格保持不變（19-7Φ5），對調(diào)整后方案進行有限元分析，計算結(jié)果見圖6，梗脅處最大主拉應力降低1.7 M Pa，高應力范圍大大減小。

進一步將底板束豎彎角從6°調(diào)整為4°，計算結(jié)果見圖7，可以看出，此時梁體最大主拉應力已降至5.2 M Pa。

圖1 初步設計方案梁端（單位:mm）

圖2 初步設計方案分析結(jié)果（單位:Pa）

圖3 支座間距調(diào)整為4.3 m計算結(jié)果（單位:Pa）

圖4 取消豎向荷載計算結(jié)果（單位:Pa）

圖5 取消預應力荷載計算結(jié)果（單位:Pa）

圖6 調(diào)整后梁端布置方案計算結(jié)果（單位:Pa）

圖7 底板束豎彎角4度計算結(jié)果（單位:Pa）

進一步將底板束規(guī)格調(diào)整為12-7Φ5，鋼束位置也進行相應的微調(diào)，計算結(jié)果見圖8，最大主應力降低至4.8 M Pa。

圖8 底板鋼束優(yōu)化方案計算結(jié)果（單位:Pa）

2 梁體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

2.1 梁端進人洞尺寸分析

現(xiàn)將有限元模型調(diào)整為不設進人洞，計算結(jié)果見圖9，最大主拉應力增大0.1 M Pa。若梁端進人洞縱向深度0.25 m調(diào)整為0.62 m，計算結(jié)果見圖10，最大主拉應力降低0.1 M Pa，影響不大。

圖9 封閉梁端進人洞計算結(jié)果（單位:Pa）

圖10 加深進人洞計算結(jié)果（單位:Pa）

2.2 下梗脅尺寸分析

將初步設計方案中下梗脅尺寸由600 m m×750 m m減小為100 m m×100 m m，計算結(jié)果見圖11，高應力范圍降低，但最大主拉應力增大了7.3 M Pa。將下梗脅尺寸由600 m m×750 m m增大為700 m m×900 m m，計算結(jié)果見圖12，最大主拉應力相對于方案二減小0.4 M Pa。因此增大下梗脅尺寸可以減小此處主拉應力，但效果并不顯著。

圖11 下梗脅100 mm×100 mm計算結(jié)果（單位:Pa）

圖12 下梗脅700 mm×900 mm計算結(jié)果（單位:Pa）

3 梁體預應力體系優(yōu)化

由于梁端下梗脅處主拉應力受鋼束影響較大，進而擬通過調(diào)整不同位置的鋼束規(guī)格來減小主拉應力，按照表1的張拉順序?qū)︿撌来螐埨＿M行分析，下梗脅最大主拉應力計算結(jié)果見表1及圖13。

由上述分析，張拉2N5b、2N5c會增大下梗脅處主拉應力，而張拉2N5d、2N2e則會減小主拉應力?，F(xiàn)對底板束進行調(diào)整：2N5b、2N5c鋼束規(guī)格由12-7Φ5調(diào)整為 10-7Φ5，2N5d、2N2e鋼束規(guī)格由12-7Φ5調(diào)整為14-7Φ5，得到推薦方案，見圖14。

推薦方案計算結(jié)果見圖15，最大主拉應力由4.8 M Pa降低為4.4 M Pa，在鋼束微調(diào)的情況下效果良好。在上述配束方案下，對梁端下梗脅位置配置間距100 m m的Φ22H RB400鋼筋，并進行配筋檢算：計算得到鋼筋應力為147.97 M Pa，裂縫寬度0.18 m m，均滿足規(guī)范要求[9,10]。

表1 鋼束張拉順序及應力計算結(jié)果 MPa

圖13 鋼束依次張拉應力結(jié)果（單位:MPa）

本梁已完成靜載試驗（見圖16），終張拉過程梁端最大拉應力為 5.44 M Pa（153 με），位于梁端面下梗脅處，終張拉過程中及完成后，梁端各部位未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫。

圖15 推薦方案計算結(jié)果（單位:Pa）

圖16 簡支梁靜載試驗

4 結(jié)論

綜上所述，預應力簡支箱梁梁端局部應力集中受預應力體系布置的影響較大，而對支座橫向間距、豎向荷載、結(jié)構(gòu)尺寸等因素不敏感；可通過減小鋼束規(guī)格、豎彎角等減小主拉應力；鋼束的布置同樣對梁端局部應力有影響，通過增加或減少相應位置的鋼束規(guī)格可以有效降低控制位置的主拉應力；推薦方案梁端配筋檢算合理，鋼筋應力及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求，并與試驗結(jié)果基本吻合。

圖14 推薦方案（單位:mm）