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

刘江川

(大西铁路客运专线有限公司，太原 030027)

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

刘江川

(大西铁路客运专线有限公司，太原 030027)

大跨度预应力混凝土T构墩梁结合区域结构构造、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70 m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ANSYS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。

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

1 概述

某客运专线多处工点采用了(70+70) 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350 km/h。采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道或CRTSⅡ型板式无砟轨道，设计列车活载为“ZK活载”。主梁计算跨度为(70+70) m，支座中心线至梁端0.75 m，梁全长141.5 m。中支点截面中心处梁高8.0 m，边跨等高段长12.25 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12.0 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。

图1 (70+70) m预应力混凝土T构构造(单位:mm)

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42 m、沿着墩身截取20.5 m进行研究，可满足以上要求。

本文先利用通用有限元程序MIDAS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。

2.2 模型建立(图3)

该空间有限元模型采用2种ANSYS单元：Solid45实体单元，模拟混凝土；Link8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1.2×10-5(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10年后恒载(包括自重、二恒、预应力、收缩徐变)；

工况3(主力) 运营10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ANSYS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σx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-10.9、-11.5、-13.2 MPa，满足规范要求的16.8 MPa；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0.260、0.27、0.29 MPa。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σ1出现在墩顶过人洞处，其值分别为1.68、1.72、1.90 MPa，小于主拉应力限值3.1 MPa，横隔板受力符合规范要求。最大主压应力σ3位于墩梁固结下腋处，3种工况下其值分别为-11.9、-12.6、-14.5 MPa，小于主压应力限值20.1 MPa，系明显的应力集中现象。

表2 应力计算结果

图4 工况1与工况3应力云图(单位：Pa)

4 结论

通过对某客运专线70 m T构墩梁固结处局部进行有限元计算，结论如下。

(1)结构各项应力数值符合规范要求。

(2)从结构的正应力分析可得，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-10.9、-11.5、-13.2 MPa，满足规范要求的16.8 MPa。

(3)从结构的主应力分析可知，最大主拉应力σ1出现在横隔板过人洞处，3种工况下其值分别为1.68、1.72、1.90 MPa，小于主拉应力限值3.1 MPa，横隔板受力符合规范要求。最大主压应力σ3位于墩梁固结下腋处，3种工况下其值分别为-11.9、-12.6、-14.5 MPa，小于主压应力限值20.1 MPa，满足规范要求。

(4)对于具体结构的抗裂设计，一般斜截面抗裂计算要求严于正截面抗裂，主拉、主压应力是设计者主要控制的指标。由于本设计的固结措施对主拉、主压应力峰值控制效果较好，具有一定安全储备，因此墩梁固结措施较为合理。

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Analysis of Local Stress at Rigid Connection between Girder and Pier of T-Shaped Large Span Prestressed Concrete Bridge on Passenger Dedicated Ballastless Track Line

LIU Jiang-chuan

(Datong-Xi’an Railway Passenger Dedicated Line Corporation， Taiyuan 30027， China)

The rigid connection between the girder and pier is the key part of T-Shaped large span prestressed concrete bridge due to its complexity in prestressed cable distribution and stress distribution. With reference to the design scheme of 70m T-Shaped prestressed concrete bridge on Changsha-Kunming passenger dedicated line， and with the help of finite element analysis software ANSYS， the local stress of rigid connection between the girder and pier is analyzed， and the stress distribution of the rigid connection during the construction and service is acquired to guide the design and construction of projects. The result indicates that structural prestressed tendon is reasonable， and stresses during the construction and service meet design requirements.

Railway bridges; T-Shaped prestressed concrete; Rigid connection of girder and pier; Finite element; Local stress analysis

2014-12-19；

2014-12-29

刘江川(1963—)，男，高级工程师， 1988年毕业于上海铁道学院铁道工程专业，E-mail：ljc0181@163.com。

1004-2954(2015)03-0074-04

U238； U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.017