基于有限元分析的中歐預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁適應(yīng)性研究

1鐵路車輛荷載適應(yīng)性研究近年來(lái)，中國(guó)參與了許多國(guó)外的鐵路項(xiàng)目，其中大部分項(xiàng)目位于土耳其。為了擴(kuò)大土耳其鐵路項(xiàng)目的市場(chǎng)，有必要研究中國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁在歐洲標(biāo)準(zhǔn)車輛負(fù)荷下的適應(yīng)性。本文介紹了歐洲標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載作用下國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)T梁的強(qiáng)度以及自振頻率等,希望為有同類設(shè)計(jì)要求的項(xiàng)目提供參考和借鑒。2歐洲鐵路橋梁的負(fù)荷介紹2.1結(jié)構(gòu)作用機(jī)理歐洲鐵路橋梁采用極限狀態(tài)法設(shè)計(jì),荷載分類如下:永久作用(G),如:結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備和路面鋪裝以及由于收縮和不均勻沉降產(chǎn)生的作用;可變作用(Q),如:作用在梁面的交通荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等;偶然作用(A),爆炸或車輛撞擊等。2.2load結(jié)構(gòu)[EN1991—2]規(guī)定的列車荷載如下。豎向荷載:Load71、SW(SW/0和SW/2)、“空載”和HSLM荷載;活載土壓力;動(dòng)態(tài)響應(yīng);離心力;擺動(dòng)力;牽引力和制動(dòng)力;列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力作用。2.3傳統(tǒng)荷載模型軌道交通作用通過(guò)荷載模型來(lái)確定,鐵路荷載分為5種荷載模型,具體如下:荷載模型71(SW/0荷載模型用于連續(xù)梁橋)代表在鐵路主干線上的常規(guī)荷載;荷載模型SW/2代表重載;荷載模型HSLM代表速度超過(guò)200km/h的客車荷載;荷載模型“空載”代表空載列車的影響;Load71由常規(guī)軌道交通產(chǎn)生的豎向荷載的靜力效應(yīng),軸載分布和特征值如圖1所示。在比正常軌道交通重或輕的軌道交通線上,圖1中的特征值應(yīng)乘以系數(shù)α。乘以系數(shù)α后的荷載稱為“分類豎向荷載”。α的取值如下:0.75,0.83,0.91,1.00,1.10,1.21,1.33,1.46。以下所列荷載也應(yīng)乘以相同的系數(shù)α:活載土壓力效應(yīng);離心力;擺動(dòng)力(僅當(dāng)α≥1時(shí)乘以α);牽引力和制動(dòng)力;結(jié)構(gòu)和軌道對(duì)于可變作用的組合效應(yīng);脫軌荷載;連續(xù)梁橋的荷載模型SW/0。撓度計(jì)算時(shí),應(yīng)使用分類豎向荷載和乘以α的其他作用(計(jì)算乘客舒適度時(shí)α取為1)。3車輛荷載的動(dòng)力系數(shù)(2005)2101-Ⅰ預(yù)制后張法簡(jiǎn)支T梁(直線,時(shí)速160km,跨度32m)梁體受力狀態(tài)分析根據(jù)歐洲規(guī)范,車輛荷載的動(dòng)力系數(shù)按下式計(jì)算式中Lφ——梁的計(jì)算跨度,m。作用于梁體上的動(dòng)力系數(shù)為1.125。本次計(jì)算重要性系數(shù)取值依次為0.8、1.0、1.2以及1.4,按照不同的重要性系數(shù)進(jìn)行加載,判斷出32m簡(jiǎn)支T梁能滿足哪種“分類豎向荷載”。3.132米簡(jiǎn)單t梁截面配置直線3.2結(jié)構(gòu)容重、衡重、橫向布置(1)活載采用Load71荷載模型,荷載圖示參見(jiàn)圖1。(2)一期恒載,結(jié)構(gòu)容重采用26kN/m3;(3)二期恒載包括線路設(shè)備、道砟、人行道支架、步板、電纜槽、擋砟塊、現(xiàn)澆橋面板以及橫隔板濕接縫的重力。二期恒載采用值如下:邊梁43.87kN/m;中梁31.33kN/m。3.3材料和設(shè)備3.2.1混凝土(1)梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55。(2)封錨混凝土采用補(bǔ)償收縮混凝土,強(qiáng)度等級(jí)同梁體。3.2.2預(yù)測(cè)鋼筋混凝土縱向預(yù)應(yīng)力鋼束、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用公稱直徑為15.2mm的鋼絞線,抗拉強(qiáng)度為1860MPa,彈性模量為195GPa。3.2.3預(yù)應(yīng)力筋張拉千斤頂及錨墊板安裝縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束錨具均采用夾片式錨具,其技術(shù)條件應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋用錨具的要求,錨墊板采用配套錨墊板,張拉千斤頂采用配套千斤頂。3.4設(shè)計(jì)安全因素和電壓控制指標(biāo)設(shè)計(jì)安全系數(shù)及各階段應(yīng)力指標(biāo)按照鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范控制。3.53豎向自振頻率為確定雙線T梁在活載作用下的空間受力性能,采用Midas進(jìn)行空間分析,確定結(jié)構(gòu)的自振頻率以及荷載橫向分布系數(shù)。雙線簡(jiǎn)支T梁Midas模型如圖3所示。[EN1991—2:2003]對(duì)簡(jiǎn)支梁豎向自振頻率規(guī)定如下:簡(jiǎn)支梁豎向自振頻率不應(yīng)低于下列限值簡(jiǎn)支梁豎向自振頻率不應(yīng)高于下列限值式中n0——簡(jiǎn)支梁豎向自振頻率限值,Hz;L——簡(jiǎn)支梁跨度,m。根據(jù)上式計(jì)算32m簡(jiǎn)支T梁豎向自振頻率不應(yīng)小于3.03Hz,不應(yīng)大于7.09Hz。[EN1990—2002]對(duì)簡(jiǎn)支梁橫向自振頻率規(guī)定如下:結(jié)構(gòu)橫向一階自振頻率不應(yīng)小于1.2Hz。3.5.1振型2hz豎向自振頻率3.59Hz,振型見(jiàn)圖4。橫向自振頻率9.22Hz,振型見(jiàn)圖5。根據(jù)Midas分析結(jié)果,通橋(2005)2101-Ⅰ預(yù)制后張法簡(jiǎn)支T梁(直線,時(shí)速160km,跨度32m)梁體自振頻率滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)及中國(guó)鐵路規(guī)范要求。3.5.2邊梁和中梁分擔(dān)的荷載比例雙線列車活載作用下,梁體彎矩圖見(jiàn)圖6。根據(jù)Midas分析結(jié)果,邊梁及中梁分擔(dān)的荷載比例為24.9%,25.1%,25.1%,24.9%。因此應(yīng)用BSAS進(jìn)行平面計(jì)算分析時(shí),中梁和邊梁按照均分活載計(jì)算。3.6中梁和邊梁的活載簡(jiǎn)支T梁為分片式連接,計(jì)算采取分別計(jì)算邊梁和中梁的方法確定梁體的各種力學(xué)指標(biāo)是否滿足運(yùn)營(yíng)荷載的要求,每片梁分擔(dān)的活載按照Midas分析結(jié)果,中梁和邊梁均分活載。梁體計(jì)算過(guò)程中,橫隔板采用集中荷載加載到梁?jiǎn)卧?月平均溫度取±25℃。用BSAS軟件分別對(duì)靜活載引起的撓度、運(yùn)營(yíng)階段梁體的各項(xiàng)安全性指標(biāo)等進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。(1)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能方面根據(jù)歐洲規(guī)范Load71荷載作用下最大豎向撓度不應(yīng)超過(guò)L/600,尚應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能方面的要求。綜上所述,通橋(2005)2101-Ⅰ預(yù)制后張法簡(jiǎn)支T梁(直線,時(shí)速160km,跨度32m)梁體撓度及轉(zhuǎn)角滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)及中國(guó)鐵路規(guī)范要求。(2)表2顯示了梁的強(qiáng)度和壓力的測(cè)量4結(jié)構(gòu)的自振頻率綜合以上邊梁和中梁在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下分析結(jié)果,可以得出在重要性系數(shù)值0.8～1.4的車輛荷載作用下,結(jié)構(gòu)的變形、梁體自振頻率同時(shí)滿足2種