圓端形空心橋墩溫度應(yīng)力分析

周 婷

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

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圓端形空心橋墩溫度應(yīng)力分析

周 婷

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

日照和寒潮引起的空心墩溫度應(yīng)力較大，在設(shè)計(jì)中不容忽視。結(jié)合某鐵路工程空心橋墩通用圖設(shè)計(jì)，分析此類結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分布特點(diǎn)和對(duì)墩身產(chǎn)生的不利影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)通過合理布置鋼筋來預(yù)防混凝土開裂。

空心橋墩 溫度應(yīng)力 日照作用 寒潮作用

1 概述

隨著現(xiàn)代鐵路建設(shè)的發(fā)展，空心橋墩由于其在高墩方面的優(yōu)越性，已被廣泛應(yīng)用到橋梁工程中。與實(shí)體橋墩有所不同，空心橋墩為空間板殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部環(huán)境相對(duì)封閉，且混凝土本身導(dǎo)熱性能低，設(shè)計(jì)中需考慮溫度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

當(dāng)空心墩周圍氣溫環(huán)境迅速變化時(shí)，墩壁內(nèi)外會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)形成較大溫差，產(chǎn)生較大溫差應(yīng)力。溫差沿空心墩壁厚為非線性變化，但截面仍服從平截面假定，于是截面溫度變形受到約束而產(chǎn)生內(nèi)約束溫度應(yīng)力；此外，由于邊界條件約束，還會(huì)產(chǎn)生外約束溫度應(yīng)力。設(shè)計(jì)中若忽視溫度應(yīng)力帶來的影響，不采取合理措施，會(huì)導(dǎo)致空心墩開裂，威脅到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因而，進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，通過合理配置鋼筋來解決溫度應(yīng)力問題，對(duì)空心墩設(shè)計(jì)來說尤為重要。以某鐵路工程的圓端形空心橋墩通用圖設(shè)計(jì)為例，對(duì)不同墩高與壁厚的空心墩進(jìn)行溫度應(yīng)力的分析研究。

2 溫度應(yīng)力分析

2.1 溫度荷載

空心墩主要受到氣溫升溫、太陽輻射和寒潮降溫這三種溫度荷載的作用。根據(jù)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料，溫差沿壁厚方向可簡化為按指數(shù)函數(shù)分布，距墩壁外表面x處的溫差按下式取值：

氣溫升溫、寒潮降溫溫差

Ax=A·e-βx

太陽輻射溫差

Ax=A·e-βx·cos φ

其中，x為以墩外壁表面為原點(diǎn)的徑向坐標(biāo)，A為內(nèi)外壁表面溫差(根據(jù)調(diào)查到的既有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究結(jié)論，取值如下：墩壁厚1 m及以下，氣溫升溫溫差按5 ℃考慮，太陽輻射溫差按8 ℃考慮；墩壁厚1 m以上，氣溫升溫溫差按8 ℃考慮，太陽輻射溫差按10 ℃考慮；寒潮溫差均按-10 ℃考慮)，φ為墩外壁某點(diǎn)法線與太陽直射線的水平夾角，β為根據(jù)溫度荷載類型采用的系數(shù)(氣溫升溫溫差β取6，太陽輻射溫差β取10，寒潮溫差β取4.5)。

空心墩溫度應(yīng)力分析應(yīng)分別考慮日照溫差(包括氣溫升溫溫差和太陽輻射溫差)和寒潮溫差荷載與外荷載的組合。空心墩墩身水平方向主要為溫度應(yīng)力，豎向則需將溫度應(yīng)力與外荷載應(yīng)力疊加。

2.2 空心墩結(jié)構(gòu)模型

研究對(duì)象為時(shí)速350 km高鐵的24 m、32 m簡支梁雙線圓端形空心墩，設(shè)計(jì)墩高范圍15～60 m，頂帽縱向?qū)挾?.4～4.4 m，橫向?qū)挾?.8 m，結(jié)構(gòu)輪廓見圖1。

圖1 空心墩結(jié)構(gòu)(單位：cm)

為了對(duì)空心墩進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，利用MIDAS FEA計(jì)算軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型。分別模擬壁厚0.5 m-墩高20 m、壁厚0.75 m-墩高21 m、壁厚0.8 m-墩高26 m、壁厚0.9 m-墩高33 m、壁厚1 m-墩高39 m、壁厚1.3 m-墩高43 m、壁厚1.4 m-墩高48 m、壁厚1.6 m-墩高53 m、壁厚1.7 m-墩高58 m、壁厚1.8 m-墩高60 m這幾種尺寸的空心墩。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 空心墩結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

如前所述，溫差荷載沿壁厚方向按指數(shù)函數(shù)分布。以壁厚1.3 m的空心墩為例，溫度場(chǎng)分布見表1、表2。

表1 壁厚1.3 m空心墩溫度場(chǎng)分布 ℃

表2 壁厚1.3 m空心墩?qǐng)A端處輻射溫度場(chǎng)分布 ℃

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過有限元計(jì)算，得到在寒潮溫差和不同斜照角度日照溫差作用下，空心墩墩身的環(huán)向水平應(yīng)力、徑向水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力?？招亩战孛娉叽邕h(yuǎn)大于其壁厚，故徑向水平溫差應(yīng)力很小，這里不再考慮。以壁厚1 m的空心墩為例，溫度應(yīng)力云圖如圖3～圖10所示。以壁厚0.5 m、1 m、1.8 m的空心墩為例，溫度應(yīng)力值對(duì)比見表3、表4。

圖3 1 m壁厚寒潮溫差作用下環(huán)向水平應(yīng)力(單位：MPa)

圖4 1 m壁厚寒潮溫差作用下豎向應(yīng)力(單位：MPa)

圖5 1 m壁厚斜照45 ℃日照溫差作用下環(huán)向水平應(yīng)力(單位：MPa)

圖6 1 m壁厚斜照45 ℃日照溫差作用下豎向應(yīng)力(單位：MPa)

圖7 1 m壁厚斜照0 ℃日照溫差作用下環(huán)向水平應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 1 m壁厚斜照30 ℃日照溫差作用下環(huán)向水平應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 1 m壁厚斜照60 ℃日照溫差作用環(huán)向水平應(yīng)力(單位：MPa)

圖10 1 m壁厚斜照90 ℃日照溫差作用環(huán)向水平應(yīng)力(單位：MPa)

以上各圖和表中數(shù)據(jù)，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

表3 空心墩寒潮溫差應(yīng)力對(duì)比

表4 空心墩斜照45 ℃日照溫差應(yīng)力對(duì)比

計(jì)算得到空心墩外壁和內(nèi)壁的應(yīng)力之后，根據(jù)墩臺(tái)手冊(cè)中的溫度應(yīng)力概化圖，編制空心墩配筋表格，求出拉、壓應(yīng)力分布，以及中性軸、合力作用點(diǎn)的位置，進(jìn)而計(jì)算出截面合力矩。根據(jù)溫度應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，與部分外荷載組合，進(jìn)行溫度力鋼筋設(shè)計(jì)。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于寒潮溫差作用使空心墩外壁豎向受拉，而日照作用使空心墩外壁豎向受壓，因此空心墩豎向配筋受寒潮與外荷載的組合控制；水平環(huán)向配筋由日照溫差和寒潮溫差分別控制，而且日照溫差作用對(duì)配筋更為重要。溫度應(yīng)力豎向配筋驗(yàn)算基本上能夠通過，但水平方向若按常規(guī)設(shè)計(jì)采用直徑12 mm，間距10 cm的HRB400環(huán)向鋼筋來驗(yàn)算，鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度一般會(huì)超限。例如壁厚1 m的空心墩，經(jīng)計(jì)算，需將環(huán)向鋼筋直徑加強(qiáng)至18 mm，檢算指標(biāo)才能滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

(1)空心墩的截面尺寸遠(yuǎn)大于壁厚，故徑向水平溫差應(yīng)力很小，計(jì)算時(shí)僅考慮豎向應(yīng)力和環(huán)向水平應(yīng)力。沿墩身高度方向的溫度應(yīng)力變化很小，可認(rèn)為墩高對(duì)溫度應(yīng)力分布無影響。

(2)寒潮作用下，空心墩外壁受拉、內(nèi)壁受壓；日照作用下，外壁受壓、內(nèi)壁受拉。由非線性溫度場(chǎng)得到溫度應(yīng)力也呈現(xiàn)明顯的非線性趨勢(shì)；一般是外壁應(yīng)力最大，然后向內(nèi)很快衰減，到內(nèi)壁趨于均勻。

(3)隨著壁厚增大，空心墩外壁溫度應(yīng)力不斷增大，內(nèi)壁溫度應(yīng)力逐漸減小。這是由于隨著壁厚的增加，空心墩內(nèi)外空氣的流通更為困難，內(nèi)外壁溫差取值會(huì)增大。

(4)空心墩豎向配筋受寒潮與外荷載的組合控制；水平環(huán)向配筋由日照溫差和寒潮溫差分別控制，而且日照溫差作用對(duì)配筋更為重要。

(5)空心橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，溫度應(yīng)力問題必須引起足夠的重視，建議對(duì)墩身鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，尤其應(yīng)加大墩身水平環(huán)向配筋，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

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Temperature Stress Analysis of Round-ended Hollow Pier

ZHOU Ting

2016-09-13

周 婷(1985—)，女，2009年畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0102-04

U441+.5

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