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贵广铁路大跨预应力混凝土连续梁 端部局部应力分析 陈 艳 ( 中铁第 四勘 察设 计院集团有限公 司，武汉4 3 0 0 6 3 ) 桥 梁 摘 要 ： 针 对大跨度预应 力混凝土连续梁端部预应力锚 固区， 探 讨梁体局部应 力分 析时预应 力钢筋的模拟 方法 ， 采 用优 化后的建模方法建立 了三 向预应 力作用下的梁端锚 固区的有 限元模 型 ， 分析 了梁端部 锚 固区的受 力机 理 ， 结 果表 明粱端设计合理 ， 分析方法可靠。 关键 词 ： 铁路桥 梁；预应 力混凝土 ；连续粱 ；梁端 ；有限元分析 ；局部应 力 中图分 类号 ： U 4 4 8 2 1 5 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 42 9 5 4 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 5 7 0 4 An a l y s i s o n l o c a l S t r e s s o f t he End o f Lo ng s pa n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t i nuo us Gi r d e r i n Gu i y a ng- Gua ng z ho u Ra i l wa y CHEN Ya n ( C h i n a R a i l w a y S I Y U A N S u r v e y a n d D e s i g n G r o u p C o ，L t d ， Wu h a n 4 3 0 0 6 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t：As t o t h e p r e s t r e s s e d a n c h o r a g e z o ne o f l o n g s p a n r a i l wa y p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s g i r d e r ，t h e p r e s t r e s s e d s t e e l b a r s i mu l a t i o n me t ho d f o r l o c a l s t r e s s a n a l y s i s i s r e s e a r c h e d i n t h i s t h e s i s By u s i n g t h e o p t i mi z e d mo d e l i n g me t ho d，t h e f i ni t e e l e me n t mo d e l o f p r e s t r e s s e d a nc h o r a g e z o n e u nd e r t h e a c t i o n o f t h r e e - d i me n s i o n a l p r e s t r e s s i s bu i l t ，a nd t h e s t r e s s me c h a ni s m o f a n c h o r a g e z o n e a t t h e e n d o f t he g i r d e r i s a n a l y z e dTh e r e s u hs s ho w t h a t t h e d e s i g n for t h e g i r d e r e n d i s r e a s o n a b l e，a n d t h e a n a l y s i s me t ho d i S r e l i a b l e a s we l 1 Ke y wor ds ：r a i l wa y br i d g e；p r e s t r e s s e d c o n c r e t e；c o n t i n u o u s g i r d e r ；g i r d e r e n d；f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s； 】 O C a 1 s t r e s s 1 桥 梁概 况 1 1 桥 型 简介 贵广铁路大跨预应力? 昆凝土连续梁 ， 跨径组合 为 ( 6 4 + 1 0 8 + 6 4 ) m， 列车设计时速 2 5 0 k m。桥梁结构采 用变截面三跨连续箱梁， 中支点处梁高 7 5 m， 端部及 跨中梁高4 5 m， 其底缘按照半径为4 4 3 5 m的圆曲线 过渡 变 化 。顶 板 厚 3 7 c m； 腹 板 厚 从 4 0 e m 变 化 到 1 1 0 c m， 根部局部加厚至 1 6 0 c m； 底板厚从 4 6 c m变化 收稿 日期 ： 2 0 1 20 61 8 作者简介 ： 陈艳 ( 1 9 6 4 一)， 女 ， 高级工程 师 ， 1 9 8 4年毕业 于长 沙铁 道 学院 ， 工学学士 ， E - ma i l ： h x j g z s y 1 6 8 1 2 6 c o rn。 至 9 7 1 c m， 根部 局部加厚至 1 5 0 e m。箱梁采用挂 篮 悬臂浇筑法施工 ， 每个悬臂阶段张拉锚 固纵 向、 竖向和 横 向预 应力束 。 对 于后 张法混 凝 土 构 件 ， 张 拉 时 预应 力 是 通 过锚 具将力传递给混凝土 ， 因此锚下混凝 土将承受较大的 局部压应力 ， 端部混凝 土在局部较大压应力作用下将 会出现裂缝甚至破坏 ， 影响主梁 的长期工作性能。锚 具附近裂缝产生的原 因主要为两种应力作用的结果 ： 一 种是由于预应力 的局部作用 ， 沿着 预应力作用线的 方向上产生的横向拉应力 ， 称之为劈裂应力 ； 另一种是 远离预应力作用点的断面 ， 称为剥落应力。大跨度预 应力混凝土连续梁端部锚 固预应力钢束多 ， 并受构造 5 彭岚平 ， 徐升桥 ， 高静青 钢桁梁有砟桥面结构设计研究 J 铁道 勘察 ， 2 0 0 7 ( S I ) ： l 4一l 9 6 曹 自印 南广铁路西江特大桥主跨钢箱拱梁安装方案 比选 J 科 学之友 ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 7 47 6 7 王立 中 中承式钢箱拱桥拱肋 的稳定性分 析 J 铁 道标准设 计 ， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 4 2 4 4 铁道 标准设 计 R A I LW AY D D D E S I G N 2 0 1 3( 0 2) 8 金福海 ， 文功启 ， 徐勇 武广铁路客运专线 1 4 0 m钢箱 系杆 拱桥设 计及其在高速 铁路 中 的应用 J 铁 道标 准设 计 ， 2 0 1 0( 1 ) ： 1 0 7 一 l l O 9 徐升桥 丫髻沙大桥主桥施工关键技 术研究 J 铁道标 准设计 ， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 81 2 57 桥 梁 陈 艳一贵广铁路大跨预应力混凝土连续梁端部局部应力分析 尺寸限制 ， 梁端锚具布置间距密 ， 锚 固作用互相影响 ， 因此研 究 多个 锚 具相 互 作 用 下 的梁 端 局 部 承压 性 能 ， 防止 梁端锚 固 区混凝 土 破 坏 ， 并 以此 指 导 设 计 是 非 常 必要 的 。 1 2梁 端部构 造 该桥预应力混凝土连续梁端部截面在梁端支座处 2 至 1 4 0 8 6 0 2 兰 丝 8 6 0 2 1 4 0 图 1 端部截面尺寸 ( 单位 ： c m) 设 置横 隔 板 ， 横 隔板 厚度 为 1 4 5 c m。主梁 ? 昆 凝 土 采 用 C 5 5 ， 支座 采 用 球 型 支 座 。为 了 防止 梁 端 在 局 部 压 应 力作 用下 梁端混 凝 土压 裂 ， 在 梁 端 一定 范 围 内布 置 了 加强钢筋。端部截面和三向钢束布置分别如 图 1 、 图 2所示 。钢束 规格 和型 号如 表 1 所 示 。 表 1 钢 束规格及应力 I l 3 5 0 I 3 5 0 图 2端部 三向钢束布置 ( 单位 ： c m) 2有 限元模 型 的建 立 梁端部局部应力分析采用有限元软件 A N S Y S建 模 ， 由于 本文 主要研 究边 跨梁 端部 锚 固区局部 应力 场 ， 所以选取梁端部约 4 m长的节段长度进行模拟 ， 其 中 混凝土采用实体单元 S o l i d 9 5模拟 ， 预应力钢筋采用杆 系单元 L i n k 8模拟。在 A N S Y S建模 中， 预应力混凝土 分析实体力筋法的常规处理过程有 2种方法 ，一 是体 分割法 ， 二是采用独立建模耦合法。 ( 1 ) 体分 割法 该 法 的基 本思 想 是 先建 立 实 体 ， 再 用 工 作平 面 和 预应力筋拖拉形成 的面， 将实体分割 ， 分割面与实体相 交位置 即 为预应 力力筋 线 。通过 每段 预应力 力筋 线所 在平 、 立面与实体分割 ， 预应力筋在实体 中的位置即能 建立 ， 并与相应的实体共线。这种方法建模 ， 预应力筋 位 置准 确 ， 计 算结 果精 确 ， 但 当预 应力 筋线形 复 杂且数 量 很 多时 ， 建 模难 度很 大 。 ( 2 ) 独立建模耦合法 该 法 的基本 思想是 将 实体 和预应 力筋独 立建 立几 何模型 ， 分别划分单元 ， 然后采用耦合方程将预应力筋 单元和与之距离最近的实体单元联 系起来。这种方法 建模特别简单 ， 缺点是当实体单元划分不够密时， 预应 力筋节点位置与实际位置有差别 ， 特别是 当预应 力筋 间距较密 、 结构复杂时， 耦合方程中的单个从节点 ( 实 体 ) 有可能与多个主节点 ( 预应力筋) 耦合 ， 导致耦合 错误 ， 修正起来非常麻烦 。 5 8 本文研究 的预应力 昆 凝土连续梁梁端模型为三向 预应力结构 ， 箱梁构造 复杂 ， 预应力筋种类多 、 线形 空 间变化 ， 显然采用上文 2种常规建模方式， 很难对梁端 部进行精确的模拟分析 。因此 ， 为了真实反映结构细 部受力机理 ， 根据结构特点 ， 采用上述 2种方法相结合 的方式进行建模。建模主要过程如下。 建立箱梁实体和纵向预应力力筋线的独立几何 模 型 。 在梁端部以每根纵向预应力力筋线端部为中心 建 立相 应 的锚具 和管 道 平 面 ， 同 时将 各 个 锚 具 和 管 道 平面以力筋线端点为 中心划 分为对应的 4个部 分， 分 别 沿 每根力 筋线 为路 径将锚 具 和管道 平 面通过 拖拉 生 成以力筋线为中心线 的空间实体 ， 其中锚具 的大小和 长度 根据实 际 尺寸确 定 。 将纵 向预应力 力筋 线所 在 的空间 圆柱体 与箱 梁 实体进行互分 ， 分隔成多个边界相互关联的实体 ， 如图 3所 示 。 在互分后的模型中找出纵向预应力力筋线并进 行 归类 。 建立横向和竖 向预应力筋， 按上述独立建模耦 合法将横向和竖 向预应力筋单元 与实体单元耦合 ， 预 应力的加载按降温法模拟 ， 最后施加边界条件和求解。 本文采用的建模方法优点在于利用箱梁体与预应 力筋所在实体的互分 ， 得到边界相互关联的几何模型 ， 预应力筋模拟精确 ， 并且端部锚具也能按实际情况模 拟 ， 大大降低了建模难度和节约了建模 时间。有 限元 铁道 标准 设计R A I LW AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 3 ( 0 2 ) 麓 _ 8 一 ， 上 桥 梁 陈 艳一贵广铁路大跨预应力混凝土连续梁端部局部应力分析 ( 1 ) 锚垫板 2倍孔径范围内以下混凝 土的主压应 力水平较高 ， 最大约为 2 7 MP a ， 随着深度 的增加 ， 应力 急剧减小 ， 在距端部 2倍锚具长度后应力水平 已趋于 均匀 ， 这说 明预 应 力 的作 用 已 扩散 至 昆凝 土 中 。根据 铁路规范 ， C 5 5 昆 凝土轴心抗压极 限强度为3 7 MP a ， 因 此锚 固区 昆凝 土最 大 主 压应 力 未超 出 材 料 的极 限 强 度 。考 虑到 实际施 工 偏 差 ， 对 此 区域 设 置 一 定 的锚 下 钢筋网以分散应力是合理和必要的。 ( 2 ) 在锚垫板 四周位 置 ， 混凝 土 出现较 大 的 主拉应 力， 最大值约为 5 MP a ， 远超出 C 5 5级混凝土的轴心抗拉 极限强度 3 3 M P a ， 但分布区域很小， 属应力集中现象。 在此区域以外 ， 锚具喇叭口和顶、 底板钢束之间区域内 ? 昆 凝土最 大 主拉 应 力 水 平亦 较 高 ， 最 大 主拉 应 力 已在 3 MP a以下 ， 接 近 于材 料 的极 限强 度 ， 因此 设 计 时需 要 对该 区域 特别是顶 、 底板之 间的横梁封 锚端 表面采 取钢 筋加强措施， 防止预应力张拉时混凝土表面出现开裂。 ( 3 ) 因锚下 昆凝土的最大主压应力仅在锚具 2倍 孔径范围内和锚具深度范围内水平较高 ， 即混凝土纵 、 横向距离锚垫板越近压应力越大 ， 远离锚垫板后压应 力 区域逐 渐扩 散并 趋 于均 匀 ， 因此 锚 具 间距 对 于 锚 下 ( 上接 第 4 9页) 混凝土应力的分布影响不大 ， 当钢束之问有一定的距 离时锚下应力的计算可由单锚分析确定。 参考 文献 ： 1 彭正 中， 赵曼 ， 王新敏 预应力混凝土箱梁的端块应力分析 J 铁 道标准设计 ， 2 0 0 7 ( 5 )： 5 0 5 2 2 1 张玉文 大跨度双线无砟 轨道预应力简支箱梁端锚固区应力分析 J 铁道标准设计 ， 2 0 1 0( 4 ) ： 2 9 3 2 3 肖 飞 大跨度预应力 昆凝土简支箱梁的梁端应 力分析 J 铁道标 准设计 ， 2 0 0 4 ( 8 ) ： 7 8 8 0 4 赵磊 ， 邵铭 ， 哈大客运专线 5 6 H I 简支箱梁预应 力钢束布置 及梁端 应力分析 J 铁道标准设计 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 7 07 3 5 罗继前 ， 肖礼经 ， 王卫锋 ， 颜全胜 ， 谭毅平 预应 力混凝土连 续梁桥 锚下局部应力 分析 J 中外公路 ， 2 0 0 3， 2 3 ( 6 ) ： 4 8 5 0 6 陈嘉毅 ， 谢旭 ， 徐爱敏 ， 赵 剑发 大跨度 预应力混 凝土箱梁 锚 固区 局部应力研究 J 浙江大学学报 ， 2 0 0 9 ， 4 3( 6 ) ： 1 0 7 71 0 8 2 i 7 许惟 国， 何广汉 连续 刚构桥锚 固区局部应力 的研究 J 西南交 通大学学报 ， 2 0 0 4( 3 ) ： 3 7 13 7 4 8 何旭辉 ， 黎徽 锚固区布置对 预应力 T梁梁端 局部应力影 响研 究 f J 城 市道 桥与防洪 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 1 7 1 I 7 4 9 丁伟亮 ， 李德建 ， 魏俊， 刘朝晖 预 应力束张拉 顺序对锚 下局部应 力影响分析 J 交通科技与经济 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 1 01 2 1 0 白鸿国 ， 袁常青 秦 沈线 3 2 m双线整孔箱梁端部应力分析 J 铁 道勘察 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 9 49 5 地区 目前铁路外运通道或后方通道能力不足 ， 货物运 输需求受到一定的制约 ， 运量呈限制型增长。 5 2 2铁 路 货运量 预测 根据 区域 经济 、 交 通 发展 规 划 和 资 源分 布 及开 发 利用情况 ， 结合区域煤炭 、 石油、 矿石 、 钢铁等大宗物资 产销平衡分析以及铁路运量历 史变化趋势 ， 采用 多种 预测模型， 预测研究 区域货物到发运量 ， 结果见表 2 。 表 2 区域 货运量预 测 万 t 注 ： 表 中2 0 1 1 年数据 由全国 4 8 3个 O D小区检索整理得到 。 6 结论 综上所述 ， 黔张常铁路是我 国铁路路网中长期规 划的一部分 ； 是完善 区域路网布局 ， 构筑完善的综合交 通运输体系的需要 ； 是加快沿线资源开发 ， 促进革命老 区和少数 民族地区经济社会发展的需要 。黔张常铁路 的建设将完善 区域路网， 开辟 了川渝东出的便捷通道 、 架 构起 长株潭 和成 渝 两 大城 市 群 快 速 铁路 通 道 、 畅通 了沿线 旅游通 道 。为繁 荣 、 带 动老 区 、 少 数 民族地 区 经 济社会发展提供了铁路运输的大能力保障和支持。因 此本 项 目的修 建是 非常 必要 的 。 参 考文 献 ： 1 中华人 民共和国建设部 铁路线路设计规 范 S 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 6 2 王兆 成 中长 期铁 路路 网规划 研 究 Mj 北 京 ： 中国 铁道 出版 社 2 0 0 4 3 中华 人民共 和国铁道部 铁路技术 管理规程 s 北京 ： 中国铁道 出版社， 2 0 0 6 4 中华 人民共和国铁道部 铁路车站及枢纽 设计规范 S 北 京 ： 中 国铁道 出版社 ， 2 0 0 6 5 詹振炎 铁路选线设计的现代 理论 和方法 M北京 ： 中国铁 道出 版 社， 2 0 0 1 6 易思蓉 铁路选线设计 M 成都 ： 西南 交通大学 出版社 ， 2 0 0 5 7 黄盾 铁路线位进入 自然保护区环保可行性 问题研究 J 铁道标 准设计 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 1 0 1 1 0 4 8 尹坚 ， 李潇 铁路建设项 目生态影 响评 价范 围探 讨 J 铁 道标准 设计 ， 2 0 1 0( 1 2 ) ： 1 2 3 一l 2 5 f 9 陈庆才 修 建彰武 至 高台 山联 络线 的探 讨 J 铁 道标 准 没 计， 2 0 0 7( 5)： 1 61 7 1 0 铁 道第一勘察设 计 院 T B 1 0 0 1 2 -2 0 0 7 铁路 工程地 质勘察 规范 S 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 7 1 1 白孝 勇 刍议铁路选线设计树立安全选线的设计理念 J 铁道标 准设计 ， 2 0 【 2 ( 7 ) ： 3 3 3 7 1 2 胡子平 复杂 山区铁路宜昌万州线综合选线设计 J 铁道标准设 计 ， 2 0 1 0 ( 8 )： 3 33 7 铁道标准设 计R A I L W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 3( 0 2)