高速铁路道岔连续梁支座上方预应力孔道保护层厚度对梁体局部应力的影响研究

李 强,刘敬棉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

1 问题的提出

连续梁的施工顺序为先浇筑混凝土,然后再施加预应力,最后再向预应力管道灌浆。在管道灌浆前,支座上方预应力孔道周围混凝土在梁自重和预应力作用下处于薄弱位置,很容易被压碎。本文鉴于此对支座处混凝土保护层厚度对梁体局部应力的影响进行分析。

2 模型建立说明

本文以京沪高速铁路某道岔连续梁(跨度30.9 m+2×32.7 m+30.9 m,截面高度305 cm)为例对中支座处横断面建立有限元模型进行局部应力分析,支座处梁断面如图1、图2所示。

图1 道岔梁横隔板空间图

图2 横隔板断面尺寸(单位：cm)

2.1 模型尺寸的选取

在实际道岔梁结构尺寸的基础上,本文采取预应力孔道直径d分别为10、20 cm两种情况作出分析。根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)要求，最小预应力钢筋距离结构表面不应低于6 cm,每种情况考虑混凝土保护层厚度c分别为6,26,36,50 cm四种。孔道间距：d=10 cm时,a=20 cm；d=20 cm时,a=40 cm。另外考虑没有孔道的模型进行比较。道岔梁断面尺寸在梁纵向上有变化,但是在横隔板处的变化比较小,所以所有模型均取支座中心断面处尺寸。

2.2 模型的建立

考虑结构的对称性,所有模型建模时取结构1/4作分析，同时加上由于对称性所需要考虑的约束。由于考虑在实际支座处模拟支座可能会造成应力集中,以致结果不准确,把实际的支座纵向支承加在梁的顶面,最后使梁顶面支承受力为0。模型如图3所示。

图3 结构1/4模型图

2.3 结构受力

为方便分析比较,所有模型均考虑3组力：(1)结构自重；(2)实际支座对梁体的竖向反力；(3)梁体侧面剪力。在实际情况中,除上述3组力外,梁体侧面还受轴力、弯矩、扭矩的作用,考虑预应力孔道削弱对支座处局部受力的影响主要来自竖向,在分析中采用了简化的受力模式。

(1)结构自重：模型采用C50混凝土,容重取26 kN/m3。

(2)支座反力：面荷载15 MPa,作用位置为支座中心线下半径39.8 cm的半圆范围。

(3)梁体侧面剪力：为支座反力减去结构自重。

3 模型计算

3.1 预应力管道直径10 cm模型

结构自重478.06 kN,实际施加支反力合力-7 320.0 kN。横截面面积为18.386 91 m2,施加面荷载剪力为-372.11 kN/m2。计算模型如图4所示。

3.2 预应力管道直径20 cm模型

结构自重473.76 kN,实际施加支反力合力-7 320.0 kN。横截面面积为18.221 46 m2，施加面荷载剪力为-375.72 kN/m2。计算模型如图5所示。

图4 预应力管道直径10 cm模型

图5 预应力管道直径20 cm模型

3.3 无孔道模型

结构自重480.25 kN,实际施加支反力合力-7 320.0 kN。横截面面积为18.47 m2,施加面荷载剪力为-370.29 kN/m2。计算模型如图6所示。

图6 无孔道模型

4 计算结果与结论

4.1 计算结果

为了分析对比各种保护层厚度对梁体局部应力的影响规律,将各种情况下的应力状况汇总,见表1～表6。

表1 孔道直径10 cm梁体混凝土最大主拉、主压应力 MPa

表2 孔道直径10 cm管道周围混凝土最大主拉、主压应力 MPa

表3 孔道直径10 cm梁体底面混凝土最大主拉、主压应力 MPa

表4 孔道直径20 cm梁体混凝土最大主拉、主压应力 MPa

表5 孔道直径20 cm梁体底面混凝土最大主拉、主压应力 MPa

表6 无孔道梁体底面混凝土最大主拉、主压应力

孔道直径20 cm对应保护层6 cm第一主应力云图如图7所示,第三主应力云图如图8所示。

图7 混凝土保护层6 cm模型第一主应力图(d=20 cm)

图8 混凝土保护层6 cm模型第三主应力图(d=20 cm)

4.2 结论及建议

(1)从应力图可以看出,所有模型除了支座周围和孔道周围应力偏大以外,其他地方应力都在混凝土抗压抗拉容许应力以内,因此建议设计除全梁按常规配筋以外,在支座局部受压区域和孔道周围应配置局部加强钢筋。

(2)保护层厚度由6 cm到50 cm,孔道直径10 cm结构孔道周围混凝土的最大主压应力由48.6 MPa减小到8.02 MPa,最大主拉应力由5.48 MPa减小到1.36 MPa；孔道直径20 cm结构孔道周围混凝土的最大主压应力由57.6 MPa减小到7.78 MPa,最大主拉应力由14.4 MPa减小到1.72 MPa。说明增加混凝土保护层厚度,对混凝土孔道局部应力改善比较明显。

(3)有预应力孔道时,梁体的最大主拉应力和最大主压应力一般出现在孔道周围。在孔道保护层厚6 cm情况下,结构中梁底与孔道底部主拉应力都很大,是由于保护层较薄,孔道的削弱使保护层类似拱式梁受力。这也说明在支座受15 MPa(面荷载)左右的反力作用下,支座处保护层厚度设为6 cm是非常不安全的,这一区域受力相当复杂,常规的局部加强配筋不能满足局部受力的需求。

(4)对于孔道直径10 cm模型组，随着孔道的上移，最大主拉应力发生位置也逐步上移,主拉应力逐渐下降,最终在50 cm保护层模型中,最大主拉应力发生在腹板下倒角处。这说明孔道位置上移到一定高度,可以忽略布置孔道对支座范围的局部受力影响。

(5)根据计算结果,随着孔道的上移,主拉应力逐渐下降,对于孔道直径10 cm模型组中,当保护层为36 cm时,主拉应力接近《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)允许值的上限,因此在京沪预应力混凝土道岔连续梁设计中,支座上方预应力孔道的保护层厚度采用50 cm．

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