鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋索梁錨固構(gòu)造選型與力學(xué)性能研究

馬雅林,陳桂龍

(1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

矮塔斜拉橋是一種介于梁橋與傳統(tǒng)斜拉橋之間的新型橋梁結(jié)構(gòu)，具有造價經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)合理、景觀良好等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路工程中[1-4]。作為矮塔斜拉橋傳力體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，索梁錨固結(jié)構(gòu)受力較大且復(fù)雜，局部應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，極易發(fā)生開裂、破壞，進而導(dǎo)致橋梁整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生改變，嚴(yán)重影響正常使用功能[5-7]。

目前，針對鐵路矮塔斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)受力性能研究相對較少，主要集中于公路矮塔斜拉橋方面[8-11]。如周緒紅等[12-13]通過有限元軟件對索梁錨固區(qū)在最不利荷載組合作用下的受力性能進行研究，并對錨固區(qū)及鋼箱主梁進行極限承載力分析；陳彥江等[14]通過足尺試驗和數(shù)值模擬研究錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載下的應(yīng)力分布及傳力機理，得到各受力區(qū)域在不同荷載等級下的應(yīng)力分布情況；張少華[15]采用有限元聯(lián)合仿真方法，模擬分析了矮塔斜拉橋索塔分絲管型索鞍錨固區(qū)鞍下混凝土的應(yīng)力情況。由于使用上的要求不同，鐵路斜拉橋與公路斜拉橋在力學(xué)要求上具有明顯區(qū)別。鐵路斜拉橋的橋梁寬度較公路斜拉橋更小，所承受的荷載中活載占總荷載比例更大，且活載集度大，動力效應(yīng)明顯[16-19]。在這種力學(xué)性質(zhì)下，作為鐵路斜拉橋主要受力結(jié)構(gòu)的斜拉索與其對應(yīng)的索梁錨固區(qū)受力狀況就需格外重視。

基于此，以成昆鐵路攀枝花金沙江大橋為依托，提出預(yù)應(yīng)力矮塔斜拉橋索新型梁錨固形式—梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)，并采用ANSYS對比其與傳統(tǒng)錨固結(jié)構(gòu)的受力性能。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相似理論設(shè)計并進行了縮尺模型試驗，研究頂板錨固結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力分布及其控制因素，確認(rèn)其在合理安全儲備下的承載能力。

1 工程背景

圖1 攀枝花金沙江大橋孔跨布置(單位：m)

成昆鐵路攀枝花金沙江大橋作為成昆鐵路擴能改造的控制性工程之一，是我國第一座開建的跨度超過200 m的鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋[20]。該橋為雙塔預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，塔高28 m，橋長471.30 m，共3跨，跨徑組合為120 m+208 m+120 m，大橋設(shè)計橋面高程1 043.19 m，設(shè)計橋梁底緣高程1 029.83 m，如圖1所示。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點處梁高13.1 m，中支點處梁高11.3 m，底板采用拋物線過渡為減弱索梁錨固結(jié)構(gòu)受拉端與頂板相接處的拉應(yīng)力，該橋索梁錨固區(qū)在設(shè)計中拋棄了鐵路矮塔斜拉橋所普遍使用的翼緣下側(cè)錨固結(jié)構(gòu)，采用一種新型索梁錨固形式—梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 新型梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2 索梁錨固結(jié)構(gòu)選型分析

通過ANSYS軟件建立該索梁錨固結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并與傳統(tǒng)索梁錨固結(jié)構(gòu)(翼緣下側(cè)錨固結(jié)構(gòu))進行對比分析。其中，主梁為單箱雙室箱梁結(jié)構(gòu)，長24.96 m、底板寬10.60 m，頂板寬13.10 m，翼緣板寬1.55 m，腹板厚0.50 m，頂板與底板厚均為0.40 m，錨拉塊寬0.80 m。模型具體材料參數(shù)見表1。設(shè)計索力為10 000 kN，二期荷載為19.5 kN/m2，集中力施加在索塔另一側(cè)，Mz=675.114 kN·m，Nx=669 038.564 N，Qy=432 344.321 N。

表1 模型材料參數(shù)

圖3為翼緣下側(cè)錨固結(jié)構(gòu)整體變形和各類應(yīng)力云圖。綜合分析可知，翼緣下側(cè)混凝土錨固塊計算的整體變形為2.016 mm，3個方向的正應(yīng)力及主拉應(yīng)力(第一主應(yīng)力)數(shù)值較大，其中，X方向局部應(yīng)力達到8.82 MPa，其次為Y方向和Z方向，主拉應(yīng)力約為9.89 MPa，超過混凝土抗拉強度。且峰值均集中出現(xiàn)在錨塊與箱梁局部連接位置，造成局部混凝土開裂。這是由于索梁錨固塊相對腹板形心存在偏心距，斜拉索受力后產(chǎn)生了較大偏心彎矩從而導(dǎo)致局部應(yīng)力超限。

圖3 翼緣下側(cè)錨計算模型及計算結(jié)果

圖4展示了梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，通過應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)的受力顯著減小。錨塊Y方向(豎向)最大應(yīng)力為4.07 MPa，由預(yù)應(yīng)力鋼束錨固點集中產(chǎn)生，采用錨墊板可分散應(yīng)力集中現(xiàn)象。錨塊ZS方向(縱橋向)最大應(yīng)力為5.28 MPa，出現(xiàn)在拉索錨固點且范圍較小，是由于在局部分析計算時，拉索內(nèi)力完全施加在錨板上所致，實際構(gòu)造中采用錨板加勁肋傳遞部分索力至錨塊范圍，可顯著減小錨板處應(yīng)力集中現(xiàn)象。錨塊第一主應(yīng)力為7.95 MPa，出現(xiàn)在錨板與楔形塊導(dǎo)角處且范圍較小，可通過設(shè)置整體承壓鋼板減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，滿足TB 10002.1—2018《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》要求。

圖4 梁頂混凝土錨塊計算模型及計算結(jié)果(單位：MPa)

3 索梁錨固結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力分析

3.1 模型試驗介紹

為進一步分析梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)在荷載作用下各部位的應(yīng)力水平及應(yīng)力分布情況，以金沙江大橋的承受荷載最大索梁錨固區(qū)構(gòu)件為原型，進行相似比為1∶2的模型試驗。試驗?zāi)Ｐ桶凑赵褪┕D紙進行設(shè)計、制作，如圖5所示。根據(jù)相似理論[21]，錨固塊長、寬、高為原型的0.5倍，任意截面鋼筋總面積為原型的0.25倍，通過同時改變鋼筋直徑和鋼筋間距來實現(xiàn)；鋼束有效應(yīng)力為原型0.25倍，在保證鋼束規(guī)格不變的情況下，通過改變鋼束束數(shù)和錨下張拉力來實現(xiàn)應(yīng)力的縮放。

圖5 試件制作完成效果

在試件養(yǎng)護完成開始試驗，按每一級加載增量為設(shè)計最大索力的20%，加載至1.4倍最大設(shè)計索力，此后持續(xù)加載10 min，然后按每一級加載增量為設(shè)計最大索力的10%，加載至2.0倍最大設(shè)計索力。在正式加載過程中，每級加載到位后，記錄構(gòu)件的結(jié)構(gòu)變形，檢查測試儀器是否正常工作并記錄數(shù)據(jù)。

3.2 試驗結(jié)果分析

圖6為不同工況下索力每級張拉持續(xù)作用5 min后，內(nèi)埋式應(yīng)變計測得的混凝土應(yīng)變情況，可以看出，錨固塊在不同張拉荷載作用下直至張拉至設(shè)計索力，其應(yīng)變增幅基本上線性增加，卸載后同樣呈線性減小，且各測點相對殘余應(yīng)變均小于20%，說明混凝土在線彈性階段受力。在200%設(shè)計索力下，錨固塊各部位的應(yīng)變最大，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在模型倒角處約為100.7，經(jīng)換算為實測應(yīng)力為3.6 MPa，并與理論應(yīng)力對比見圖7，可知受檢構(gòu)件試驗截面各應(yīng)變測點的實測應(yīng)變值基本均小于其對應(yīng)的理論計算值，且在規(guī)范和設(shè)計文件要求范圍之內(nèi)。

圖6 錨固塊實測應(yīng)變值

圖7 應(yīng)力實測值與理論值對比(200%設(shè)計索力)

此外，錨固塊試驗荷載加載至140%設(shè)計索力時，錨固塊前端倒角位置開始出現(xiàn)的細(xì)小裂紋，隨著荷載增加不斷慢慢開展，寬0.3～0.4 mm，長約12 cm。另一側(cè)也開始出現(xiàn)2條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬0.1～0.2 mm，長分別約16 cm和8 cm，見圖8(a)。當(dāng)荷載加載至170%倍設(shè)計索力時，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載增加不斷開展，寬0.2～0.5 mm，長約22 cm。另一側(cè)出現(xiàn)2條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬0.2～0.6 mm，長分別約25 cm和8 cm，見圖8(b)。當(dāng)荷載加載至200%倍設(shè)計索力時，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載增加不斷開展，寬為0.6～0.8 mm，長約34 cm。另一側(cè)出現(xiàn)2條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬0.6～0.8 mm，長度分別約30 cm和12 cm，見圖8(c)。當(dāng)荷載卸載至0時，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載減小不斷閉合，寬度肉眼不可見，見圖8(d)。

圖8 模型裂縫開展

4 結(jié)論

依托攀枝花金沙江大橋，對鐵路矮塔斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并采用數(shù)值計算分析及模型試驗研究，通過ANSYS軟件建立三維有限元模型，對比梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)與翼緣下側(cè)混凝土錨固結(jié)構(gòu)的受力性能，計算得出Y方向(豎向)最大應(yīng)力為4.07 MPa，由預(yù)應(yīng)力鋼束錨固點集中產(chǎn)生；錨塊Z方向(縱橋向)最大應(yīng)力為5.28 MPa，出現(xiàn)在拉索錨固點；錨塊第一主應(yīng)力為7.95 MPa，出現(xiàn)在錨板與楔形塊導(dǎo)角處。可見梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)的各向應(yīng)力指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)錨固結(jié)構(gòu)。通過對梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)進行縮尺模型靜載試驗，該錨固結(jié)構(gòu)在試驗荷載試驗下各測點相對殘余應(yīng)變均小于20%，說明處于正常的彈性工作狀態(tài)，實測最大拉應(yīng)力為3.6 MPa，錨固塊的強度滿足設(shè)計要求；在設(shè)計索力工況下，能夠滿足正常使用要求，且具有足夠的安全儲備。