高速鐵路箱式路基加腋對結(jié)構(gòu)靜力特性的影響

劉晶磊，劉佳凡，周瑋浩，夏 彬，張業(yè)榮，張伯揚，張文祥

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北張家口 075000; 2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室,河北張家口 075000;3.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北張家口 075000)

引言

隨著我國高速鐵路工程的不斷發(fā)展,高速鐵路鋪設(shè)里程數(shù)迅速增長,傳統(tǒng)高速鐵路路基[1-2]具有平順性好、連續(xù)性好等特點,已被廣泛應(yīng)用。然而,由于傳統(tǒng)高速鐵路路基難以適應(yīng)不同地區(qū)的差異化地質(zhì)條件,使得其在建設(shè)過程中,整體強度難以達(dá)到規(guī)定強度指標(biāo),且填料耗費多,故急需一種新型路基代替?zhèn)鹘y(tǒng)路基來滿足工程需要。高速鐵路箱式路基作為新型路基結(jié)構(gòu)的一種,具有整體性好、強度高、穩(wěn)定性好、耐久性強、占地面積少等優(yōu)點,可在惡劣的地質(zhì)條件下滿足高速列車行車要求。祝偉杰[3]總結(jié)了箱式路基的結(jié)構(gòu)型式和工程設(shè)計,從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度分析了箱式結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特性與應(yīng)力傳遞路徑,提出了箱式結(jié)構(gòu)的平面簡化受力圖。劉平[4]提出一種具有側(cè)向約束的裝配箱涵式路基新結(jié)構(gòu),并對該結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,指出裝配箱涵式路基對沉降控制效果明顯,可減少20%～35%的沉降量。肖坦樹[5]利用有限元軟件ABAQUS建立了3個節(jié)點域加腋加固的有限元模型,施加單調(diào)荷載和循環(huán)荷載,對節(jié)點域進(jìn)行加腋加固,能夠有效提高節(jié)點域的承載力,減小剪切變形。陳濤[6]通過數(shù)值模擬的方式研究了不同節(jié)點加腋時的性能變化,指出加腋節(jié)點的應(yīng)力變化與常規(guī)節(jié)點基本相同,但隨著梁腋高度和長度增加,加腋節(jié)點的剛度和承載力均有提升。

作為一種新型高速鐵路路基結(jié)構(gòu),箱式路基的受力狀態(tài)和配筋計算仍處于經(jīng)驗階段,業(yè)內(nèi)尚無針對該結(jié)構(gòu)的成套計算方法或設(shè)計規(guī)范。采用控制變量法,針對新型箱式路基結(jié)構(gòu)頂板和豎板連接節(jié)點的應(yīng)力集中現(xiàn)象,研究了三角形腋不同的加腋高度和加腋角度對應(yīng)力集中部位的應(yīng)力突變減少值,并找到最優(yōu)加腋高度區(qū)域與加腋角度區(qū)域。研究成果可為優(yōu)化高速鐵路路基結(jié)構(gòu)及提升高速鐵路路基承載力提供理論依據(jù)。

1 箱式路基結(jié)構(gòu)形式

鋼筋混凝土箱式路基分別由水平放置在地基上的鋼筋混凝土底板;豎直連接在底板上的鋼筋混凝土豎板,水平連接在豎板上的鋼筋混凝土頂板和豎直固定在底板上的鋼筋混凝土短樁組成。鋼筋混凝土短樁深入地基土中,用于提升箱式路基的穩(wěn)定性。頂板和底板均在豎板的外側(cè)延伸預(yù)設(shè)長度,頂板的延伸長度等于底板的延伸長度。箱式路基結(jié)構(gòu)橫截面以及三維效果如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土箱式路基結(jié)構(gòu)示意(單位:m)Fig.1 Schematic diagram of reinforced concrete box subgrade structure (unit: m)

2 箱式路基模型簡化

將箱式路基的計算模型拆分為頂板、豎板、底板和短樁,并根據(jù)箱式路基各部件的結(jié)構(gòu)形式和受力情況進(jìn)行模型簡化。

2.1 鋼筋混凝土頂板

根據(jù)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[7]的要求,頂板簡化為有兩個剛性支座的梁,將頂板的受力部分近似為承受集中荷載,在集中荷載作用下,頂板受力主要以彎矩為主。

2.2 鋼筋混凝土豎板

豎板外側(cè)無填土,豎板的受力主要以壓應(yīng)力和彎矩為主,受力方式與簡單直線段剪力墻近似[8]。為簡化模型,根據(jù)簡單直線段剪力墻的研究方法對豎板進(jìn)行研究。

2.3 鋼筋混凝土底板

底板的受力主要以彎矩和剪應(yīng)力為主,為便于研究,將底板視為倒置的連續(xù)梁,不考慮底板與地基土之間的相互作用,通過倒梁法[9]對底板進(jìn)行研究。

2.4 鋼筋混凝土短樁

短樁整體都埋置于地基土里,主要的受力為側(cè)阻力和端阻力,為簡化模型,采用靜壓法沉樁[10-12]的方法對短樁進(jìn)行研究。

3 箱式路基有限元模型建立

3.1 分析模型參數(shù)選取

以箱式路基頂板和豎板連接節(jié)點為研究對象,H為腋高度;L為腋長度;α為腋角度,所加腋沿線路方向長度為20 m,如圖2所示。通過控制變量的方法,先假設(shè)最優(yōu)的腋高度為400 mm,依次增大腋角度,通過分析節(jié)點處的應(yīng)力集中減小值確定最優(yōu)腋角度區(qū)間。之后固定腋角度為60°,依次增大腋高度,通過分析節(jié)點處的應(yīng)力集中減少值確定最優(yōu)腋高度區(qū)間。

圖2 箱式路基節(jié)點構(gòu)造Fig.2 Box subgrade node structure

3.2 模型建立

采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[13-14]。通過細(xì)化網(wǎng)格的試驗方法劃分網(wǎng)格,對加腋部位局部細(xì)化,如圖3所示。箱式路基各部件之間均通過綁定連接,鋼筋均Embedded Region于混凝土部件中。該模型通過在鋼軌上間隔5.5 m的距離施加兩對大小為85.0 kN靜力荷載[15-16]進(jìn)行加載。箱式路基結(jié)構(gòu)有限元模型的材料屬性見表1。

表1 箱式路基結(jié)構(gòu)有限元模型材料屬性Tab.1 Material properties of finite element model of box subgrade structure

圖3 箱式路基加腋節(jié)點網(wǎng)格Fig.3 Grid of axillary nodes of box subgrade

4 箱式路基有限元結(jié)果分析

通過定義應(yīng)力突變量降低比Sr值作為應(yīng)力突變減小效果的評價指標(biāo),Sr值為無量綱值,Sr值越小,應(yīng)力突變減小效果越明顯,其表達(dá)式如式(1)所示。

Sr=σ1/σ0

(1)

式中,σ1為加腋節(jié)點處的應(yīng)力變化量;σ0為不加腋節(jié)點處的應(yīng)力變化量。

通過控制變量法[17],對上述13個模型進(jìn)行數(shù)值分析[18-19],得到箱式路基未加固節(jié)點和加腋加固節(jié)點的應(yīng)力突變值,并對所加不同腋的腋角度和腋高度進(jìn)行參數(shù)化分析[20-21]。

4.1 腋角度對節(jié)點影響分析

加腋加固節(jié)點的方式比節(jié)點處鋼筋機械連接的方式在減小應(yīng)力集中方面效果顯著,在工程中備受青睞,不同腋角度對節(jié)點處的應(yīng)力集中又有不同程度的減弱。為研究腋角度變化對節(jié)點區(qū)域的具體影響,模型先固定腋高度為400 mm,設(shè)置腋角度分別為15°,30°,45°,60°,75°。腋角度參數(shù)明細(xì)如表2所示。

ABAQUS路徑創(chuàng)建:選取圖1(a)左側(cè)豎板中心線為路徑所在直線,起始點為頂板與豎板接觸面正上方0.25 m處,結(jié)束點為頂板與豎板接觸面正下方0.75 m處,路徑總長度為1.0 m。

通過有限元軟件計算分析,工況GJ節(jié)點處應(yīng)力值較大,應(yīng)力差值同樣較大,工況SJY-4節(jié)點處較小的應(yīng)力值比工況GJ中的多,且應(yīng)力差值比工況GJ有較大幅度縮小,工況SJY-10節(jié)點處較小的應(yīng)力值比工況SJY-4中的多,且應(yīng)力差值比工況SJY-4有一定幅度縮小。如圖4所示。

圖4 不同工況加腋節(jié)點處應(yīng)力云圖(單位:Pa)Fig.4 Stress nephogram at axillary nodes under different working conditions (unit: Pa)

表3給出了當(dāng)腋長度為400 mm時,不同工況加腋節(jié)點處的應(yīng)力突變量,在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步分析。

表3 不同工況節(jié)點應(yīng)力突變量Tab.3 Sudden change of node stress under different working conditions

未加腋工況與加腋加固工況沿路徑方向的應(yīng)力均增大,兩種工況在節(jié)點處均產(chǎn)生應(yīng)力集中,未加腋工況在節(jié)點處發(fā)生大幅度的應(yīng)力突變,而加腋加固工況在節(jié)點處發(fā)生小幅度的應(yīng)力突變,如圖5所示。這說明通過加腋的方式可以有效減小節(jié)點處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 沿路徑方向的應(yīng)力變化Fig.5 Stress variation along the path direction

不同腋角度工況下的Sr值變化如圖6所示。由圖6可以看出,對節(jié)點進(jìn)行加腋加固后,節(jié)點處的應(yīng)力突變量降低比Sr值均有不同幅度的減小。當(dāng)加腋角度范圍為15°～60°之間時,隨著加腋角度增大,Sr值不斷減小;當(dāng)加腋角度范圍為60°～75°之間時,隨著加腋角度增大,Sr不斷增大。在實際工程中,增大腋角度往往帶來較大的經(jīng)濟成本,故建議根據(jù)工程實際選擇適宜的腋角度。

圖6 不同腋角度工況的Sr值變化Fig.6 Sr value changes under different axillary angles

綜上所述,在考慮經(jīng)濟成本的前提下,當(dāng)腋高度固定為400 mm時,最優(yōu)腋角度在SJY-3與SJY-4工況之間取得,即腋角度取值在45°～60°之間時,節(jié)點處應(yīng)力突變量減小值的范圍為41.81～86.91 kPa,應(yīng)力突變量降低比范圍為4.59×10-2～9.54×10-2。

4.2 腋高度對節(jié)點影響分析

通過上述分析,最優(yōu)腋角度范圍為45°～60°,通過固定腋角度為60°,分析采用不同腋高度對節(jié)點處應(yīng)力突變的影響。設(shè)置腋高度分別為100,200,300,400,500,600,700 mm。腋高度參數(shù)明細(xì)如表4所示。

表4 腋高度參數(shù)明細(xì)Tab.4 Details of axillary height parameters

表5給出了當(dāng)腋角度為60°時,不同工況的節(jié)點應(yīng)力突變量,在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步分析。

表5 不同工況節(jié)點應(yīng)力突變量Tab.5 Sudden change of node stress under different working conditions

不同腋長度工況下的Sr值變化如圖7所示。

圖7 不同腋長度工況的Sr值變化Fig.7 Changes of Sr value under different axillary length conditions

由圖7可以看出,對節(jié)點進(jìn)行加腋加固后,節(jié)點處的應(yīng)力突變量降低比Sr值均有不同幅度的減小。隨著加腋長度增大,Sr值整體上呈減小趨勢,當(dāng)腋長度在100～200 mm時,Sr值下降迅速,當(dāng)腋長度在200～400 mm時,Sr值下降緩慢。當(dāng)腋長度為400 mm之后,再增大腋長度,Sr值無明顯幅度的減小,即節(jié)點處的應(yīng)力集中減小效果不明顯。在實際工程中增大腋長度往往帶來比較大的經(jīng)濟成本,故建議根據(jù)工程實際選擇適宜的腋角度。

4.3 最優(yōu)加腋工況與其他工況對比分析

通過前文分析,在考慮經(jīng)濟成本的前提下,最優(yōu)腋角度在45°～60°之間,最優(yōu)腋長度在300～400 mm之間,取腋角度為60°,腋長度為400 mm作為最優(yōu)工況加腋。最優(yōu)工況與其他工況應(yīng)力突變量如表6所示。

表6 最優(yōu)加腋工況與其他工況對比Tab.6 Comparison of optimal axillary conditions with other conditions

最優(yōu)加腋工況與其他工況對比如圖8所示。

圖8 最優(yōu)加腋工況與其他工況對比Fig.8 Comparison between optimal axillary condition and other conditions

由圖8可以看出,在SJY-1工況與SJY-4工況之間,節(jié)點處應(yīng)力突變量呈減小趨勢,但減幅較小,在SJY-4工況與SJY-6工況之間,節(jié)點處應(yīng)力突變量呈增大趨勢,且增幅較大;在SJY-6工況與SJY-12工況之間,節(jié)點處應(yīng)力突變量整體上呈減小趨勢。SJY-4工況相比其他工況具有最小的節(jié)點應(yīng)力突變量,并且和箱式路基豎板高度與厚度、頂板跨度與厚度的變化無關(guān)[3]。

5 結(jié)論

(1)固定腋高度為400 mm,當(dāng)腋角度在15°～60°之間時,隨著腋角度增大,Sr值不斷減小,當(dāng)腋角度在60°～75°之間時,隨著腋角度增大,Sr值不斷增大,在考慮經(jīng)濟成本的前提下,最優(yōu)腋角度在45°～60°之間。在此區(qū)間內(nèi),節(jié)點處應(yīng)力突變量減小值的范圍為41.81～86.91 kPa,應(yīng)力突變降低比范圍為4.59×10-2～9.54×10-2。

(2)腋長度對減小節(jié)點處應(yīng)力集中作用效果顯著,隨著加腋長度增大,Sr值整體上呈減小趨勢,在考慮經(jīng)濟成本的前提下,當(dāng)腋角度固定為60°時,最優(yōu)腋長度在300～400 mm之間。在此區(qū)間內(nèi),節(jié)點處應(yīng)力突變量減小值的范圍為62.13～119.33 kPa,應(yīng)力突變降低比范圍為6.82×10-2～1.31×10-1。

(3)箱式路基豎板高度與厚度、頂板跨度與厚度變化時,最優(yōu)的腋布置形式不會發(fā)生變化,結(jié)論具有普適性。