高速铁路隧道接触网混凝土工作性能分析.pdf

2 0 1 3年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 61 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 6 1 - 0 4 高速铁路隧道接触 网混凝土工作性能分析 徐 冲 ( 中铁第一勘察设计 院集 团有限公司 ， 陕西 西安7 1 0 0 4 3 ) 摘 要 ： 接 触 网轨槽 的预 安 装方 式 、 锚 固材质 、 锚 固区混 凝 土受 力性 态影 响 高铁 隧道运 营安 全 。 以 兰新铁 路第二双线高速铁路 隧道 内接触网布置形式为例， 计算分析 了隧道 内接触 网荷载， 对接 触网预埋滑道轨 槽和锚钉受力状态进行有限元分析 ， 对衬砌混凝土基材截 面受力及安 全性进行评估。通过 混凝 土结 构后锚 固技术规程 对各项强度指标 的检算表 明， 高速铁路接触 网安装对 隧道二衬 结构( 素混凝土) 安 全性无重大影响； 为保障混凝土有一定的强度承担锚栓传递的接触 网荷载， 必须强制执行混凝土强度等 级 不 小于 C 2 0 ， 亦不 宜大 于 C 4 0的规 定 ； 为提 高主体 结 构整体 安 全性 ， 基材 内应 配 置必要 构造 钢 筋。 关键 词 ： 高速 铁路 隧道 接 触 网 混凝 土 结构 锚 固 中 图分类 号 ： U 4 5 2 2 ； U 2 2 5 4 2文献标 识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 7 1 8 电气化铁路接触网通常在桥隧建筑物上采用后锚 固安装 。 铁路隧道设计规范尚无对接触 网的结构 设计 、 安装及混凝土基材安全评价的计算方法及规定 。 受隧道建筑限界 、 建筑内轮廓及 电气化设备功能影响， 预装 的接触 网轨槽系统 由弧形槽道 、 直形轨槽 、 坠陀框 架轨槽等多种槽道构成。因此 ， 其 自身结构受力复杂 ， 隧道衬砌混凝土基材工作性 态往往不 明确 ， 导致设计 方法 和 思路 偏 于经 验化 。 目前 ， 在安装 接触 网后 隧道衬 砌结 构 安全性 仅 能依据建设 部先后 颁布 的 混凝 土结构后 锚 固技 术 规程、 混凝土结构加 固设 计规范 和 混凝 土结构 设计规范 进行评估 。然而 ， 各 规范和规程 的具 体规 定 和计算方 法不尽 相 同。如 混凝土 结构后 锚 固技 术规程 往往适 用于被 连接件 以普 通混凝 土为基 材 的后锚 固连 接设计 、 施 工与验 收 ； 混凝土 结构加 固 设计规范 和 混凝土结构 设计规 范 往往 适用 于房 屋 和 一 般 构 筑 物 钢 筋 混 凝 土 承 重 结 构 加 固 的 设 计 。 鉴 于 隧道 中接 触 网工 程 为 百 年设 计 工 程 ， 为 判 定 和分析隧道混凝 土基 材受力状态 ， 本文综合 混凝 土 结构后锚固技术规程 ( J G J 1 4 5 2 0 0 4 ) 、 混凝土结构 加固设计规范 ( G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 ) 、 混凝土结构设计 规范 ( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ) 的设计方法 ， 对混凝 土基材 安全性做出评价。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 2 - 2 0； 修 回 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 6 作者简介 ： 徐冲( 1 9 8 4 一) ， 男 ， 陕西西安人 ， 工程 师 ， 博士。 1接触 网结构 1 1接 触 网结构 布置 兰新第二双线隧道内接触网吊柱采用预埋滑道轨 槽( 简称轨槽) 固定 ， 悬 挂于隧道壁顶 ， 预埋滑道轨槽 设置是根据国内隧道施工工艺和本线隧道施工特点确 定 的 。 预 埋滑 道轨 槽 根 据 H T A 5 2 3 4 一 Q( J T A一 5 3 3 4 Q) 型轨槽相关资料绘制。连接方式 ： 与隧道壁整体浇筑 ， 与吊柱采用 T型螺栓连接， 如图 1所示 。 图 1 兰新第 二双线隧道预留轨槽剖面 ( 单 位 ： c m) 1 2 接 触 网荷载 布置 依 据接 触 网 结 构 布 置 形 式 与 相 应 的结 构 设 计 说 明， 可判断 出拱顶 ( 吊柱 ) 位 置 的轨槽 及锚钉受 力较 大 ， 造成 隧道 素混 凝 土 二 衬 集 中受 力 。 轨槽 荷 载 分 布 示意 如 图 2 。 6 2 铁道建筑 l 图 2 轨槽荷载分布示意 ( 单 位 ： m m) 2混凝土基材力学行为分析 重点对拱顶位置( 控制截面) 的轨槽 、 锚钉及 隧道 二衬进行数值计算 。首先对轨槽和锚钉进行实体建模 分析 ， 以此明确锚钉的负载( 仅受拉 ) 状态 ； 接着 ， 对 隧 道二衬进行平面应变分析 ， 其荷载来源 即为锚钉 的作 用反力 ； 最后 ， 依据 混凝土结构设计规范 和 混凝土 结构后锚 固技术规程 进行素混凝土基材承载力复核 检算 。 2 1有 限元 建模 为合理反映轨槽 的实际受力状态 ， 考虑轨槽 和锚 钉的实体几何尺寸， 采用 B e a ml 8 9单元并结合 A N S Y S 自定义截 面 功能处 理轨 槽结构 ， 见 图 3 。锚 钉采 用 L i n k l 0单元处理 ( 锚钉单元仅受 拉) 。隧道二衬 采用 B e a m3模拟。建模过程 中， 不考虑轨槽周边混凝土 的 夹楔和摩擦作用。 图 3 轨 槽截 面参 数( 单位 ： mm) 2 2计算参数 各个结构参数如表 1 所示 。 2 3计算 结果 1 ) 首先将接 触 网荷载施 加到预埋 轨槽上 ， 通 过 A N S Y S计算得到锚钉轴 向拉应力为 1 3 9 k P a ， 轨槽 内 力见表 2 。可知 ， 受接触网集中荷载影响 ， 刚轨槽槽身 表 1 计算参数 弯矩 ( k N m) 轴力 k N 剪力 k N 最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 7 9 6 5 9 4 4 6 91 3 4 3 81 1 9 4 2 9 9 4 6 4 0 6 4 和锚钉受力相对集中， 这是 由轨槽结构 自身 的超静定 性质决定的。其 中， 轨槽最大弯矩发生在 吊柱集 中弯 矩最 大处 。 为了分析隧道二衬混凝土的承载状态 ， 将锚钉上 的内力反作用于衬砌之上 ， 继而对其裂缝及 内力分布 做 出分析 。 2 ) 二衬采用梁单元进行模拟 ， 其受力为锚钉反 向 内力， 荷载大小计算结果见表 3 ， 二衬最大变形为 0 0 3 m m o 表 3 轨槽荷载 k N 注 ： 锚钉 7处于轨槽 中心。 2 4 二 衬素 混凝 土计算 结果 分析 2 4 1 素 混凝 土正截 面承载 力检 算 依据 混凝土结构设计 规范( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ) 附录 A( 素混凝土结构构件计算 ) 可知 ： 荷载效应标准 组合轴向力 N =4 6 4 0 8 k N； 荷 载效应标 准组合弯距 M =2 2 1 5 7 k N m； 轴 向力对截 面重心 的偏心距 e 。= = 4 7 7 mm； 截 面重 心 至受 压 区边 缘 的距 离 Y = h 2=1 7 5 m m， 计算参数见表 4 。 表 4 截面检算参数 素混凝 土受压构件 的受压承载力应符合下列规 定 - e 0 0 4 5 y ： 0 4 51 7 5=7 8 7 5 m m， 据 此应 配 设 构 造钢 筋 面积 A= b h 0 0 5 =2 1 0 0 mm 。 对不允许 开裂 的素混 凝土 受压 构件 ， 当 e 。 0 4 5 y 时， 其受 压承 载力应 按下式 检算 ： N ：4 6 0 8 k N b h( 6 e 0 一1 )=3 3 0 7 3 0 k N( 矩 形 截 面公 2 0 1 3年第 7期 徐 冲 ： 高速铁路 隧道接触 网混 凝土工作性能分析 6 3 式 ) ， 故截面安全。 素混凝土受弯构件的受弯承载力检算 ， 因 M = 2 2 1 5 7 b h 6= 2 9 8 7 k N IT I ， 故截面安全。 2 4 2 素混 凝 土斜截 面抗剪检 算 素混凝土抗剪检算基 于二衬 正截面上 的应力状 态， 即弯矩、 剪力及轴力的分布大小。 目前 ， 对 于混凝 土正截面应力分布形式的假设和计算方法主要有两大 类 ： 假设钢筋混凝土中性轴 及以下截 面不能承受拉 应力 ， 即弯矩仅产生 中性轴 以上截面的压应力 o r = M W， W为截面抗弯刚度 ， 剪应力分布形式在中性轴 以下为最大常量 r =V k ( 7 b h 。 8 ) ， 为截面剪力 ； 假设素混凝土为均质梁材料 ， 计算混凝土破裂面上 单元的应力状态 ， 通过容许应力或强度准则判断破坏 类 型 。 以下就上述两种假设分别计算 ， 以判断混凝土材 料是否发 生 单元 破 坏 l 致 产 生贯 通 裂 缝 影 响结 构 安 全 。 1 ) 截面应力分布( 假设条件 1 ) 应力分布如图 4所示。 三 fT 1 it T + d T ( a ) 弯矩 ( b ) 剪力 图 4 假设条件 1 下 的正截面应力分布 依据 混 凝土结构设计规范( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0) 公式 ( 7 7 7 1 7 7 7 - 3 ) 可计算钢筋混凝土主拉应力 和 主压应 力 ) = 半- Or , 2 + 2 式中： o r 为由预加力和弯矩 在计算纤维处产 生的 混凝土法 向应力 ； o r 为 由集 中荷载标准值 产生 的 混凝土竖 向压应力； r为由剪应力 在计算纤维处产 生 的混凝 土剪 应 力 。 由二衬数值计 算结果 得 ： M =2 2 1 5 7 N- m， N = 4 6 4 08 N， V k=3 4 7 3 6 N。 由于锚钉处于二衬下半断 面， 根据混凝 土结 构受 弯断面应力分布规律可知 ， 锚钉在二衬 内 A点和二衬 外缘 B点处 的应 力状态基本相 同。故在 此仅核算二 衬 边缘 点 B处 的主拉应 力 和 主压应 力 。 代 入 弯矩 、 剪 力 、 轴力 数据 可得 = M k+ Nk _0+ = 一1 1 0 4 9 5 =百 O 6Fk = 0 3 5 1 2 3 63 u口 y一 6 一 一 u J uJ 3 4 7 3 6 日 x 而 = 7 4 7 9 上式 中 ， 为截 面受 拉 边 缘 的 弹性 抵 抗 矩 ； h 。为 截 面 有效高度 ； o r 。 代表 C 3 0在无箍筋及斜筋时的主拉应 力允许值 ； 代表 C 3 0在弯 曲受压及偏心受压时的 主压应力允许值。则 ， o r =9 8 6 3 0 or 。 =0 7 3 MP a ， o r =一1 1 0 7 6 2 Or 6 =9 0 MP a， 拉为正 ， 压 为负。故该 隧道二衬不会发生拉剪破坏 ， 即锚钉 的抗 拔力不足以拉坏混凝土发生锥形掉块。 2 ) 截面应力分布( 假设条件 2 ) 应 力分 布见 图 5 。 = 亡 Z fI _ 、产 一 ( a ) 弯矩 ( b ) 剪力 图 5 假设条件 2下 的正截面应力分 布 素混凝土主拉应力和主压应力计算仍然依据 混 凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ) 公式( 7 7 7 1 7 7 7 3 ) ， 计算如下 M k N k 2 2 1 5 7 4 6 4 0 8 OrB x 一 W+一b h 一 9 0 4 36 7 1 1 1 0 5 0 = 7 9 3 31 =0 7 3 MP a = = = 9 8b h 0 3 5 1 2 3 6 3 u y 一 一 一 JuJ 日 = 0 由上式 可见 ， 在 主平 面上 or 已经 略大 于 L o r ， 混 凝 土纤 维有 被拉 坏 出现裂缝 的可能 。但 作为 结构 基材 的 混凝 土在 工程 实践 中几 乎 是 不 承 载 拉应 力 的 ， 基 于 均质材料假设 的弹性计算结果仅作为参考 ， 用 以说 明 一 种 极端 情 况 。 3 ) 素混凝土二衬裂缝检算 依据 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0进行 裂缝宽度验算得 二衬 最大裂缝为 0 0 4 mm， 小于规范规定的 0 2 0 m m。 2 5 预埋件锚钉截面面积检算 依据 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0进行锚钉( 预埋件 ) 截面面 积验算。已知单个锚钉截面面积 A =2 4 7 8 8 mm ， 换 铁道建筑 算直径 d=1 7 7 m m， 受拉 锚钉 个 数 n=5 ， =2 1 0 MP a 。因锚钉仅受到轴 向拉力作用 ， 故截面复核采用 下 式 0 8 ac t 6 A 1 N 式中： 为锚钉所受集 中力合力 ； O l 为锚板的弯曲变形 折减 系 数 =0 6+0 2 5 t d=0 6+0 2 5 4 1 7 7= 0 6 5 6 5 ， t 为锚 板 厚度 。则 0 8 n a 6 A 1 =1 3 6 6 9 5 9 0 N= 5 2 2 6 2 N， 故锚钉设置满足受力要求。 2 6基材混凝土锥形破坏检算 由于 暂无 关于锚 钉预 埋混 凝土结 构 的拉拔 破坏 形 式检算的规定 ， 本计算按照等面积原则将其换算为锚 栓结构 ， 采用 混凝土结构后锚固技术规程 对其进行 近似计算 ， 辅助说 明接触网地段二衬采用 8 1 0 0 1 0 0形式钢筋网片加固素混凝土的合理性和安全性。 1 ) 基材混凝土受拉承载力设计值 N ；=2 8 4 式 中： C 3 0混凝土 = 3 0 MP a ； 锚钉有效锚 固深度 h ， = 1 2 5 m m； =1 0 ， 表示表层混凝 土因密集配筋的剥 离作用对受拉 承载力的降低影响系数 ； 为综合修 正 系数 。 当锚钉边距和间距均大于规范规定值时 ( 最小边 距和问距分别为 1 0 0 m m和 1 2 5 m m， 而实际锚钉边距 和间距分别为 1 2 5 m m 和 2 5 0 mm) ， A c =n=3 ， ,n A 7 其 中， t , 代表发挥作用 的锚钉个数 ； A 表示单根锚栓 或群锚受拉， 混凝土实有破坏锥体投影 面积 ； A 表示 间距 、 边距较大时 ， 单根锚栓受拉 ， 理想混凝 土破坏锥 体 投影 面积 。 = 。 。 A ，A ， =0 813 ：2 4 其中 ， 表示边距对受拉承载力的降低影响系数 ； 表 示荷 载 偏 心 对 受 拉 承 载 力 的 影 响 系 数 。故 N； = 2 81 02 4 1 25 =51 43 9 k N 2 ) 基材混凝土受剪承载力设计值 锚 钉边 距 C = c ： ：1 2 5 mm， 因 锚 钉受 剪 承 载 力 不 受其间距、 边距和构建厚度影 响时 ， 群锚受剪， 混凝土 破坏楔形 体在侧 向的投 影 面积 A =1 5 c ( 1 5 c + c ) ； 单根锚栓受剪， 在平行剪力方向无边界影 响、 构件 厚度影响或相邻锚栓影 响时， 混凝土理想楔形体 的投 影面积 A =4 5 c ； 换 算直径 d 。=1 7 7 m m， 则 = 0 8 4 c d 。其中， ： ， ， 。 ， 。 ， ，A A ：1 4 9 ， 其中， 为边距与混凝土基材厚度 比对受 剪承载力的影 响系数 ， 取 1 0 ； 为角度对受剪承载 力 的影 响系数 ， 取 2 0 ； 为 荷 载 偏 心 对 受 剪 承 载 力 的影 响 系数 ， 取 1 0 ； 为未 裂 混 凝 土 对 受 剪 承 载 力 的提高系数 ， 取 1 0 。故 =1 2 7 6 9 k N。 3 ) 拉剪复合受力承载力计算 依据 混凝土结构后锚固技术规程 式6 3 2 - 1计 算如下 ( 卜 ( ) + ( ) - o 2 式中： N g 为群锚受拉区总拉力设计值 ； ， 为抗 拉分 项系数 ； 胁 为混凝 土锥 体受拉破坏承 载力标准值 ； 为群锚受剪区设计值 ； y 肚 为抗剪分项系数 ； V R 为 混凝土锥体受剪破坏承载力标准值 。 因上述计算结果 1 ， 故设计安全。 3 结语 1 ) 规 范 是 设 计 施 工 的最 低 标 准 ， 规 程 是 行 业 标 准， 行业标准高于国家规范。随着接触 网安全可靠性 和锚固技术研究的深入 ， 按照 混凝土结构设计规范 进行计算是不够 的， 建议在接触 网后锚 固设计时按照 混凝土结构后锚固技术规程 设计复核。 2 ) 为保障基材混凝 土有一定 的强度承担锚栓传 递的接触 网荷载 ， 必须强制执行基材混凝土强度不小 于 C 2 0， 亦 不宜 大于 C 4 0的规定 。 3 ) 尽管通过 混凝 土结构后锚 固技术规程 对各 项强度指标的设计验算 表明， 高速铁路接触网安装对 隧道二衬结构 ( 素混凝土) 安全性无重大影响 ， 但为保 障混凝土基材不带缝 工作并提高主体结构整体安全 性 ， 建议基材 内配置必要构造钢筋以提高对混凝 土的 约束力 ， 防止其发生劈裂 ( 锥形) 破坏 ， 即在轨槽部位 的二衬 内边缘环 向应 布置不少于 6 + 8 H R B 2 3 5钢筋 ， 纵 向和环 向 间距 不 能 超 过 2 0 0 m m， 以形 成 钢 筋 网 片 ； 锚栓有效锚 固深度应在 1 5 d ( d为锚栓直径 ) 以上 ， 且 不宜 大于基 材厚 度 的 2 3 。 参 考 文 献 1 中华人 民共和 国住房 和城乡 建设部 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混 凝土结构设计规范 s 北 京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 2 中华人 民共和 国建设部 J G J l 4 5 2 o 0 4 混凝土 结构后锚 固技术规程 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 3 段立新 接触 网混凝 土结 构后锚 固技术研 究 J 城市 轨道 交通研究 ， 2 0 0 9 ( 1 O ) ： 4 1 4 4 4 谢新 民， 邵青 铁路营业线增建明洞时接触网过渡方法及装 置 J 铁道建筑 ， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 3 9 4 0 5 中铁第一勘察设计 院 兰新二线 隧道接 触 网基 础预 留安装 施工 图 z 西安 ： 中铁第一勘察设计院 ， 2 0 1 0 ( 责任 审编李付军)