客运专线无砟轨道大跨度预应力混凝土T构墩梁固结处局部应力分析.pdf

第 5 9卷第 3期 2 0 1 5年 3月 铁 道 标 准 设 计 RAI LWAY S TANDARD DES I GN Vo 1 59 NO 3 Ma r 2 01 5 文 章 编 号 ： 1 0 0 42 9 5 4( 2 0 1 5) 0 30 0 7 40 4 客运专 T 线无砟轨道大跨度预应力混凝土 构墩梁固结处局部应力分析 刘 江 川 ( 大西铁路客运专线有 限公 司 ， 太原0 3 0 0 2 7 ) 摘 要： 大跨 度预应力混凝土 T构 墩粱结合 区域结构构造 、 预应 力钢束 布置和应 力分布都比较复 杂， 是 T构桥 的关 键部位 。结合 某客 运专线 7 0m跨 度的预应力混凝土 T构 的设计 方案 ， 利 用有 限元 分析软件 A N S Y S对墩 梁 固结部 位进 行精细的有限元局部应力分析 ， 得 到施 工阶段及 运 营阶段 墩 梁 固结 区的应 力分布规律 ， 以便 指导 工程 的设 计 和施工。结果表明 ， 该 结构预 应力配束合理 ， 施工阶段及运 营阶段应 力均 满足设计规 范要 求。 关键词 ： 铁路桥 ；预 应力混凝 土 T构 ；墩 梁固结区域 ；有 限元 ；局部应 力分析 中 图 分 类 号 ： U2 3 8：U 4 4l 5 文 献 标 识 码 ： A DOI ： 1 0 1 3 2 3 8 j i s s n 1 0 0 4 2 9 5 4 2 O l 5 0 3 O1 7 An a l y s i s o f Lo c a l S t r e s s a t Ri g i d Co nn e c t i o n be t we e n Gi r de r a n d Pi e r o f T Sh a p e d La r g e S pa n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Br i d g e o n Pa s s e ng e r De d i c a t e d Ba l l a s t l e s s Tr a c k Li ne L I U J i a n g c h u a n ( D a t o n g X i a n R a i l w a y P a s s e n g e r D e d i c a t e d L i n e C o r p o r a t i o n ， T a i y u a n 3 0 0 2 7 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e r i g i d c o n n e c t i o n b e t we e n t he g i r d e r a n d p i e r i s t h e k e y p a r t o f T S h a p e d l a r g e s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e d u e t o i t s c o mp l e x i t y i n p r e s t r e s s e d c a b l e d i s t r i b u t i o n a nd s t r e s s di s t r i b ut i o n W i t h r e f e r e n c e t o t he d e s i g n s c h e me o f 7 0m T- S h a p e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e o n Cha n g s h a - Ku n mi n g pa s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e，a n d wi t h t h e h e l p o f f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e ANS YS，t he l o c a l s t r e s s o f r i g i d c o n ne c t i o n be t we e n t h e g i r d e r a n d pi e r i s a na l y z e d， a n d t h e S t r e s s d i s t r i bu t i o n o f t he r i g i d c o n n e c t i o n d u r i n g t h e c o n s t r uc t i o n a n d s e r v i c e i s a c q u i r e d t o g u i d e t he d e s i g n a nd c o n s t r u c t i o n o f p r o j e c t s T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t s t r u c t u r a l p r e s t r e s s e d t e n d o n i s r e a s o n a b l e ，a n d s t r e s s e s d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n a n d s e r v i c e me e t d e s i g n r e q u i r e me n t s Ke y wo r d s：Ra i l wa y b r i d g e s；T- S h a p e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e；Ri g i d c o n n e c t i o n o f g i r d e r a n d p i e r ；Fi n i t e e l e me nt ；L o c a l s t r e s s a na l y s i s 1 概 述 某客运专线多处工点采用 了( 7 0 + 7 0 ) m的预应力 混凝土 T构( 图 1 ) ， 线路为双线， 线间距为 5 0 m， 其设 计速度为 3 5 0 k m h 。采用 C R T S I型双块式无砟轨道 或 C R T S I I 型板 式 无 砟 轨 道 ， 设 计 列 车 活 载 为 “ Z K 活 载” 。主梁计算跨度为( 7 0 + 7 0 )m， 支座 中心线至梁端 O 7 5 m， 梁全 长 1 4 1 5 m。 中支 点截 面 中心 处 梁 高 收稿 日期 ： 2 0 1 41 21 9 ；修回 日期 ： 2 0 1 41 22 9 作者 简介： 刘江川( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 高 级工程师 ，1 9 8 8年毕 业于上海 铁道 学院铁道工 程专业 ， E - ma i l ： l j c O 1 8 1 1 6 3 c o m。 8 0 m， 边 跨 等 高 段 长 l 2 2 5 m， 截 面 中心 处 梁 高 4 0 m。截面采用单箱单室 、 变截面直腹板形式 。箱梁 顶宽 1 2 0 m， 底 宽 7 0 m。桥 墩 采 用 空 心 墩 ， 壁 厚 1 4 m， 墩顶 梁部 0号块 横桥 向设 置 0 5 m 的帮 宽。 0号块中设置 2片厚 1 6 m 的横隔板 ， 横 隔板 中设过 人通道 ， 0号 块箱梁底部 留有进人洞。空心墩与梁体 0号块固结 ， 参见 图 2 。此处结构与受力 均较复杂 ， 属 于 T构桥的关键部位 ， 通常的分析计算 已不能满足设 计要求 ， 必须进行精细的空间有限元分析 ， 以揭示该区 域 的受 力特性 和应力分 布规律 ， 指导工 程的设计 和 施 工 第 3期 刘江川一客运专 线无砟轨道大跨度预应力混凝 土 T构墩梁 固结处局部应力 分析 7 5 图 1 ( 7 0 + 7 0) m 预应 力混凝土 T构 构造 ( 单位 ： mm) 宝 l 暑 _ 需 鬲 。 桥 墩 量 量 嚣 由 I n o 。 心 线 _ 8 1 n = = = = = = = = = = = = = = = 一 2 】4 C 2 1 O 0 0 善 4 0 0 l o d o _ t 1 材判 ( a ) 立面 I I 剖面 _ 8 8 I n N 藿 京 8 量 堂矍 d 8 f = 卜 8 善 尊 一 量 羹 i f 一 一 l蚤 ： 星 一 - 3 0 o 0 3 O 0 0 1 0 5 0 0 I 5 o 0 1 6 o o a 4 0 ( 8 2 1 O o 0 In 桥墩中心线 图 2墩梁 固结区域构 造( 单位 ： mm) 2 建模 方 法 2 1 建 模思 路 由圣 维南 原理 可 知 ， 墩 梁 固结 区域 的应 力 状 态 只 与其附近区域的应力状态有关 ， 这一 区域 以外的应力 状态的影响较小 ， 可以忽略不计 。根据工程经验 ， 可取 2 5倍梁高范围进行计算。在墩梁 固结 区沿纵向截取 4 2 m、 沿着墩 身截 取 2 0 5 m 进行 研究 ， 可满足 以上 要 求 。 本 文先 利用 通 用 有 限元 程 序 MI D A S对 全 桥 进 行 各个 阶段 的内力计算 ， 再将选取 的局部模 型两端截面 内力作为外荷载加在局部模型的截断处 ， 计算可反映 局部受力 的应力分布情况。整体坐标 系按照右手法则 建立如下 ： 顺桥向为 x 轴 ， 横桥 向为 z 轴 ， 竖向为 Y轴。 7 6 铁道标准设计 第 5 9卷 2 2模 型 建立 【 图 3) 该空 间 有 限 元 模 型 采 用 2种 A N S Y S单 元 ： S o l i d 4 5实体单元 ， 模拟混凝 土； L i n k 8杆单 元 ， 模拟预 应力钢束。 在进行建模时进行了如下简化处理。 ( 1 ) 该有限元模 型中对预应力的模拟采用对单元 进行降温的方法 ， 降温值 =张拉力 ( 线膨胀系数 弹性 模量 钢束面积) 。张拉应力采用整体模型 中的平均有 效预应力， 预应力钢束线膨胀系数为 1 2 x 1 0 ( 1 ) 。 图 3 ANSYS局 部 模 型 单 元划 分 ( 2 ) 预应力钢束单元 与混凝土单元之间采用节点 耦合技术实现。采用此方法避免了对混凝土进行切割 形成预应力钢束位置 的繁琐步骤 ， 同时能够满足墩梁 固结处研究的精度要求。 ( 3 ) 为了方便对梁两端截 面处施 加外力 ， 将加载 面刚 性化 ， 实现 方法 为 将 梁 截 面重 心 处 的 节 点 与该 截 面 处所 有节 点进 行 刚接 ， 外 力施 加 于重心节 点处 。 ( 4 ) 墩身最底部截面节点全部固结。 2 3荷 载处理 与 工况 计算 中考虑了如下 3种工况 ： 工况 1 最 大悬 臂 阶段 ； 工况 2 运 营 1 0年后 恒载 ( 包 括 自重 、 二 恒 、 预应 力 、 收缩 徐变 ) ； 工 况 3 ( 主 力 ) 运 营 1 0年后 恒 载 ( 包 括 自重 、 二 恒 、 预应力 、 收缩徐变) + 双车道活载。 对于工况 2和工况 3 ， 由于结构为超静定体系 ， 预 应力会对结构产生初 内力和次 内力。由于初内力已经 通过模型中建立的预应力钢束单元 ， 对其 实施降温实 现 ， 故对局部模型梁端施加 的由整体模型中取 出的恒 载梁端外力不应再包含钢束初 内力 。 对于工况 3中的双车道活载 ， 利用整体模型计算 出墩顶梁截面处弯矩最大情况 ( 或梁顶正应力最大) 下的列车布置工况 ， 将此工况作为静载加载于整体模 型上， 从而得出双车道活载的梁端 内力 。 从力 的平衡角度 ， 局部模型 中不仅需要施加梁端 外力 ， 而且需施加 自重、 二恒及 车道活载分布力 ， 只有 考虑了这些分布力 ， 才能使局部模型与整体模型 的受 力完全吻合 。其 中， 自重通过 A N S Y S中设定重力加速 度实现， 二恒及车道 活载分布力通过面荷载施加。各 荷载 工况 下梁端 外力 见表 1 。 表 1 各荷载工况下梁端外力 3计算结果分析( 表 2 ) 为了能够更好地认识墩梁固结处 内部 的应力分布 规律 ， 选 取 1 2墩 梁 固结处 单元 ， 研究 混凝 土结 构 中正 应力 、 第 一 主应力 、 第 三 主 应 力 的分 布规 律 ， 应 力 的分 布通过应力云图来表示。由于预应力钢束单元在锚 固 处会 产 生 明显 的应力 集 中 ， 而 锚 固区 应 力集 中不 是 本 章分 析 重点 。 为了避 开 0号块锚 固的预应 力筋 产生 的 局部应力集 中区段对分析 的干扰 ， 钝化预应力筋锚 固 区域单元 ， 重点查看顺桥向 9 m长度范 围内墩梁固结 位 置 的单元 应 力结 果 。 3种工况作用下的应力云图如图 4所示 ， 应力 分 布规律基本一致。 从正应力 图中可 以看 出， 封闭箱体结构处于较 理想 的受压 状 态 ， 这 与平 面 有 限 元 软件 设 计 的结 构 受 力状态一致 ， 说明预应力钢束布置基本符合正应力要 求 。最 大压 应力 出现 在墩梁 固结下 腋 处 ， 工 况 1 、 工 况 2 、 工况 3作用下分别为一 1 0 9 、 一 1 1 5 、 一 l 3 2 MP a ， 满 足规范要求 的 1 6 8 MP a ； 横隔板处压应力较小 ， 在横 隔板过人洞附近出现个 别集中受拉 区域 ， 3种工况作 用下最大拉应力分别不超过 0 2 6 0 、 0 2 7 、 0 2 9 MP a 。 这进一步说 明箱梁内横 隔板结构不符合平截面假定 ， 箱体结构的正应力不 能很好地传递给横 隔板结构 ， 因 此采用平面有限元软件分析结构时 ， 不应将横 隔板计 入单元截面， 而应将其按集 中荷载考虑。由于横隔板 主要受力方向不一定是顺桥 向， 因此其顺桥 向的主应 力不能作为结构合理性的判断依据 ， 需进一步研究其 主应力大小 ， 从而判断横隔板受力是否合理 。 最大主拉应力 仃 出现在墩顶过人洞处 ， 其值分别 为 1 6 8 、 1 7 2 、 1 9 0 MP a ， 小于主拉应力限值 3 1 MP a ，