京沈客運專線先張Ⅲ軌道板張拉結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計

李良才

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司， 成都 610072)

京沈客運專線先張Ⅲ軌道板張拉結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計

李良才

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司， 成都 610072)

京沈客運專線無砟軌道結(jié)構(gòu)為Ⅲ型雙向先張預(yù)應(yīng)力混凝土軌道結(jié)構(gòu)，板內(nèi)縱橫向雙向預(yù)應(yīng)力張拉的特殊性決定了張拉臺座和張拉鋼橫梁與一般的單向張拉結(jié)構(gòu)不同，需要對其進(jìn)行專門研究與設(shè)計。文章依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理并結(jié)合有限元單元法，設(shè)計了頂推式張拉鋼橫梁與框架式張拉臺座，分析計算得到了張拉結(jié)構(gòu)的一系列反應(yīng)信息，包括變形、應(yīng)力以及內(nèi)力等。研究表明，設(shè)計的張拉結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)適用，能滿足軌道板預(yù)應(yīng)力筋張拉生產(chǎn)的需要。且對框架式地梁進(jìn)行了配筋設(shè)計與抗裂度驗算，保證了張拉結(jié)構(gòu)的安全可靠。該張拉結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于京沈客運專線軌道板預(yù)制工程中。

雙向預(yù)應(yīng)力張拉； 先張Ⅲ型軌道板； 張拉橫鋼梁； 張拉臺座； 有限元分析

1 工程概況

北京至沈陽鐵路客運專線是《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》“四縱四橫”客運專線主骨架京哈高速鐵路的重要組成部分，是鐵路“十二五”規(guī)劃的重大項目。線路自北京鐵路樞紐星火站引出，途經(jīng)河北省承德市，遼寧省朝陽市、阜新市后接入沈陽鐵路樞紐沈陽站，新建線路全長697.626 km，總投資1245億元，擬按時速350 km/h標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計建設(shè)。

全線將采用CRTS Ⅲ型無砟軌道板結(jié)構(gòu)，CRTS Ⅲ型軌道板是我國自主研發(fā)的新型軌道結(jié)構(gòu)，是高速鐵路上重要的結(jié)構(gòu)部件之一，它的作用是將列車荷載平均分布到路基及橋梁上，使路基和橋梁受力均勻，減少路基沉降及橋梁變形，保證列車的高速平穩(wěn)運行。本工程CRTSIII型軌道板結(jié)構(gòu)型式有P5600、P4925、P4856 3種，板厚均為200 mm，板長分別為5 600 mm、4 925 mm、4 856 mm。為提高板的抗裂性能，提高板的使用耐久性，板內(nèi)施加縱橫向預(yù)應(yīng)力。本工程軌道板結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的施加采用先張法實施，且張拉臺座內(nèi)布局放置8塊軌道板，即一次性張拉生產(chǎn)8塊軌道板。P5600先張軌道板結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋布置如圖1所示，橫向預(yù)應(yīng)力筋(圖中編號②)24根，縱向預(yù)應(yīng)力筋(圖中編號①)16根，上下層各8根。

根據(jù)技術(shù)要求，單根預(yù)應(yīng)力筋張拉力大小為80 kN，橫向設(shè)24根預(yù)應(yīng)力筋，則張拉力1 920 kN?？v向設(shè)16根預(yù)應(yīng)力筋，則張拉力1 280 kN。

圖1 P5600先張軌道板結(jié)構(gòu)(mm)

2 張拉鋼橫梁設(shè)計

預(yù)應(yīng)力鋼筋的連接桿穿過張拉鋼橫梁孔，用螺栓將連接桿錨固于張拉鋼橫梁上。千斤頂頂推鋼橫梁兩端，鋼橫梁移動時將預(yù)應(yīng)力筋拉長。因此，張拉鋼橫梁是先張軌道結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋張拉的重要構(gòu)件。本工程張拉鋼橫梁寬500 mm，高度1 500 mm，內(nèi)部設(shè)置兩道加勁板，鋼梁采用QF345鋼材制造。橫向張拉鋼橫梁承受張拉力大小為1 920 kN，縱向張拉鋼橫梁承受張拉力大小為2 560 kN，張拉鋼橫梁截面尺寸如圖2所示。

圖2 張拉鋼橫梁截面圖(mm)

橫向張拉鋼橫梁長6 240 mm，其上施加均布荷載1 920 kN/6.24=307.69 kN/m，加載圖示如圖3所示?？v向張拉鋼橫梁長6 540 mm，其上施加均布荷載2 560 kN/6.54=391.44 kN/m。

圖3 橫向張拉鋼梁加載圖

對張拉鋼橫梁進(jìn)行有限元分析計算，橫向張拉鋼橫梁跨中最大變形撓度0.639 mm。算得的鋼梁底部最大拉應(yīng)力為21.8 MPa，小于容許應(yīng)力265 MPa，強(qiáng)度滿足要求。變形圖如圖4所示。

圖4 橫向張拉鋼梁變形圖

縱向張拉鋼橫梁跨中最大撓度0.973 mm，最大拉應(yīng)力30.6 MPa，小于容許應(yīng)力265 MPa，強(qiáng)度滿足要求。變形圖如圖5所示。

圖5 縱向張拉鋼梁變形圖

3 張拉臺座結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 地梁尺寸的擬定

張拉臺座是施加預(yù)應(yīng)力的重要設(shè)備，它承受著千斤頂?shù)姆戳ψ饔煤皖A(yù)應(yīng)力筋張拉時的錨固作用。張拉臺座設(shè)計為框架式臺座，由地梁和反力墻構(gòu)成，所有的張拉力都通過反力墻傳遞給地梁，因此，地梁設(shè)計的可靠性決定著張拉臺座能否成功運作。同時還要考慮其設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性，以免將造成不必要的材料浪費。框架式地梁平面及框內(nèi)軌道板布置情況如圖6所示。所設(shè)計地梁由四周地梁及內(nèi)部十字交叉地梁構(gòu)成，其外輪廓尺寸為16 300 mm×17 500 mm，兩相鄰活動端地梁寬1 600 mm，高1 700 mm；另外兩相鄰固定端地梁寬1 900 mm，高1 700 mm；內(nèi)部交叉十字地梁寬1 800 mm，高1 700 mm。地梁材料采用C50混凝土，鋼筋采用HRB400級熱處理鋼筋。預(yù)應(yīng)力張拉立面如圖7所示。

圖6 地梁平面圖

圖7 預(yù)應(yīng)力筋張拉立面圖

3.2 計算方法

地梁內(nèi)力計算采用土木結(jié)構(gòu)有限元專業(yè)分析軟件Midas Civi對結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間有限元分析，計算時將墻體上的張拉力系簡化到地梁上，活動端施加集中力和集中力矩，固定端施加均布載荷和均布彎矩，反力墻張拉力中心至地梁中心距離為1.6 m。

縱向活動端集中力：邊上=1.2×1 280=1 536 kN

正中=2×1.2×1 280=3 072 kN

縱向活動端彎矩：邊上=1.2×1 280×1.6=2 457.6(kN·m)

正中=2×1.2×1 280×1.6=4 915.2(kN·m)

縱向固定端均布力：1.2×5 120/17.5=351(kN/m)

均布彎矩：1.2×5 120×1.6/17.5=561.7 kN

橫向施加方法同縱向施加方法。

由于荷載對地梁有偏心距，張拉荷載產(chǎn)生力矩較大，張拉時，地梁可能有上翹的趨勢，邊界條件難以確定?？紤]最不利情況，即只給內(nèi)部地梁的局部結(jié)點添加x,y,z方向的約束形成邊界條件，其余部分處于“懸空”狀態(tài)。實際邊界條件的確定待考慮荷載組合作用后z向位移定。

經(jīng)試算，地梁底部不會發(fā)生上翹，地梁底部始終受到地面支撐。邊界條件定為：約束正中大地梁縱橫交叉結(jié)點x,y，z方向線位移，其他所有結(jié)點Dz=0。地梁有限元分析模型，如圖8所示。

圖8 地梁有限元分析模型

4 計算結(jié)果

4.1 地梁變形情況

地梁最大變形量為0.79 mm，發(fā)生在固定端地梁跨中位置，如圖9所示。

圖9 地梁變形圖

4.2 內(nèi)力分析

(1)軸壓力

地梁最大軸壓力3 072 kN，發(fā)生于橫向內(nèi)部地梁，如圖10所示。

圖10 地梁軸力圖

(2)彎矩

四周地梁最大彎矩為2 943.51 kN·m，發(fā)生在橫向活動端與縱向固定端交叉點的端部，如圖11所示。

圖11 四周地梁最大彎矩圖

中間地梁最大彎矩4 915.2 kN·m，發(fā)生在內(nèi)部橫向地梁端部，如圖12所示。

圖12 中間地梁最大彎矩圖

5 地梁配筋設(shè)計與計算

根據(jù)上面計算所得內(nèi)力值配置地梁所需受拉主筋面積。

5.1 四周地梁配筋設(shè)計

四周地梁最大彎矩設(shè)計值Mmax=2 943.51 kN·m，地梁截面尺寸b=1 600 mm，h=1 700 mm，首先按承載力極限狀態(tài)設(shè)計所需鋼筋面積，由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的以下公式：

αfcb·ξh0=fyAs

(1)

(2)

(3)

式中：系數(shù)α=1.0；

h0=h-as=1 700-100=1 600 mm；

as——鋼筋截面中心至混凝土受拉邊緣距離，取as=100 mm；

b=1 600 mm；

fc=23.1 N/mm2；

fy=360 N/mm2。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得

αs,max=0.399

再按正常使用極限狀態(tài)驗算裂縫寬度是否滿足要求，鋼筋混凝土裂縫寬度驗算公式為

(4)

式中:對于受彎構(gòu)件，系數(shù)αcr=1.9；

c=65 mm；

Es=2.10×105N/mm2。

(5)

式中:C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.64 N/mm2；

239.31 N/mm2，(按荷載標(biāo)準(zhǔn)值彎矩Mk=2 452.92 kN·m)；

將以上參數(shù)代入(5)式得ψ=0.383>0.2，取0.383；

將以上所有參數(shù)代入公式(4)，計算得混凝土最大裂縫寬度ωmax=0.268 mm>0.2 mm，不滿足最大裂縫寬度限值要求。選用20Ф25，供給As=8 818 mm2，則

0.007 22<0.01，取0.01；

179.48 N/mm2；

混凝土最大裂縫寬度ωmax=0.105 mm，滿足最大裂縫寬度限值要求。選用20Ф25。

5.2 中間地梁配筋設(shè)計

再按正常使用極限狀態(tài)驗算裂縫寬度是否滿足要求。

0.008 98<0.01，取0.01；

214.08 N/mm2,(Mk=4 096 kN·m)；

混凝土最大裂縫寬度

圖13 中間地梁截面配筋圖

6 結(jié)論

本文針對京沈客運專線先張Ⅲ型無砟軌道板生產(chǎn)制造的需要，對軌道板預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究、設(shè)計，主要得出以下結(jié)論。

(1)對所設(shè)計的張拉鋼橫梁進(jìn)行有限元法受力分析，得到其變形圖。橫向張拉跨中最大變形量為0.639 mm，縱向張拉跨中最大變形量為0.973 mm，滿足變形量小于1 mm的技術(shù)要求。

(2)對所設(shè)計的張拉臺座地梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值分析，得到其變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖。地梁最大變形量為0.79 mm，發(fā)生在縱向固定端中部；地梁最大軸壓力3 072 kN，發(fā)生于橫向內(nèi)部地梁；四周地梁最大彎矩為2 943.51 kN·m，發(fā)生在橫向活動端與縱向固定端交叉靠近端部；中間地梁最大彎矩4 915.2 kN·m，發(fā)生在內(nèi)部橫向地梁端部。數(shù)值分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)實際受力情況相符。

(3)根據(jù)有限元法分析得到的內(nèi)力值，按照鋼筋混凝土梁承載力極限狀態(tài)設(shè)計對地梁進(jìn)行了配筋設(shè)計，得到受拉主筋面積和根數(shù)，接著對其進(jìn)行抗裂驗算，設(shè)計了滿足技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)適用的框架式地梁結(jié)構(gòu)，保證了張拉結(jié)構(gòu)的安全可靠，已成功應(yīng)用于京沈線軌道板預(yù)制工程中。

[1] 江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005. JIANG Jianjing,LU Xinzheng,YE Lieping. Finite element analysis of concrete structures[M].Beijing: Tsinghua University Press,2005.

[2] 沈蒲生，梁興文.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：高等教育出版社，2007. SHEN Pusheng,LIANG Xingwen. Design principles of concrete structures [M]. Beijing: Higher Education Press,2007.

[3] 徐闖，朱為玄，鄧愛民. 蓋下壩水電站施工期溫度應(yīng)力及損傷仿真分析[J].水力發(fā)電，2012，38(10):47-49. XU Chuang, ZHU Weixuan, DENG Aimin. Simulation on thermal stress and damage of Gaixiaba dam during Construction Period[J].Water power,2012, 38(10):47-49.

[4] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編委會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003. Editorial Board Steel Structure Design Manual. Steel structure design manual[M]. Beijing: China Building Industry Press,2003.

[5] TJ/GW 118-2013 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板暫行技術(shù)條件[S]. TJ/GW 118-2013 Interim technical conditions of pre-tensioning prestressed concrete track plate of high-speed railway CRTS type III plate-type ballastless track [S].

[6] Ngo D,SeodrelisAC[美].鋼筋混凝土梁的有限元分析[J].ACI學(xué)報，1967,64(3)：152-163. Ngo D,SeodrelisAC. Finite element analysis of reinofcred concrete beams[J].ACI Journal, 1967,64(3):152-163.

[7] Franklin H A[美].鋼筋混凝土框架和面板的非線性分析[D].加州大學(xué)伯克利分校， SESM. 1970. Franklin H A. Non-linear Analysis of reinforced concrete frames and panels[D].University of California, Berkeley, SESM. 1970.

[8] S.Pietruszcak and a.Winnieki[美].加筋混凝土本構(gòu)模型[J].工程力學(xué)學(xué)報. ASCE,2003,129(7):725-738. S.Pietruszcak and a.Winnieki. Constitutive model for reinforcement concrete [J].Journal of Engineering Mechanics.ASCE,2003,129(7):725-738.

[9] 陳國榮.有限單元法原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2009. CHEN Guorong. Principle and application of finite element method[M]. Beijing: Science Press，2009.

Research and Design on Tension Structures of Pretensioning Type Ⅲ Track Plates of Beijing-Shenyang Passenger Dedicated Railway

LI Liangcai

(China Railway 23th Construction Bureau., Ltd.,Chengdu 610072， China)

The structure of ballastless track of Beijing-Shenyang passenger dedicated line is pretensioning type Ⅲ two-way prestressed Concrete Track. Due to the special nature of the vertical and horizontal two-way Prestressed tension in the plate, the tension bench and tension steel beams are different from the general structure of unidirectional tension, so specialized research and design are needed. In this paper, based on the design principles of concrete structure and the finite element method, push-type tension steel beams and framed tension bench are designed. Through analyses and calculations, a series of reactions information of tension structures, including deformation, stress and internal force, are obtained. The results show that: the designed tension structures are economical and suitable, which can meet the needs of production of the prestressed reinforcement of the track panels. While reinforcement design and checking crack resistance of framed beams are completed to ensure safety and reliability of the tension structures. This tension structure has applied to the prefabrication of the track plates of Beijing-Shenyang passenger dedicated line.

Two-way prestressed-tension; Pretensioning type Ⅲ track plate； Tensioned steel beam; tension bench； Finite element analysis

李良才(1974-)，男，工程師。

鐵道部重點科研項目(2012G005號)

1674—8247(2016)04—0041—05

U213.2+44

A