輔助墩在溫度荷載下對獨(dú)塔斜拉橋的影響

陳偉,趙青,汪鈺

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥,230601)

獨(dú)塔斜拉橋是一種跨越能力強(qiáng)大的橋梁,并且造型優(yōu)雅、適應(yīng)能力強(qiáng)大[1],常常被用在場地不平整和橋下情況復(fù)雜的地區(qū)?；炷翗蛄涸谧匀画h(huán)境中,每天都會受到太陽光的照射,引起橋梁整體內(nèi)外溫差的變化,而且混凝土箱梁的導(dǎo)熱能力較差[2],會因?yàn)闇囟葢?yīng)力而導(dǎo)致混凝土橋梁的破壞。溫度應(yīng)力下橋梁會因?yàn)闊崦浝淇s的效應(yīng)而發(fā)生變形,且獨(dú)塔斜拉橋是大跨度的橋梁,所以研究主梁下方設(shè)置輔助墩來減小溫度引起的變形和橋梁自身大跨度的撓度問題尤為重要。文獻(xiàn)[3-5]研究了輔助墩的設(shè)立對于橋梁力學(xué)性能的影響,包括單個輔助墩和多個輔助墩之間的最佳選擇;文獻(xiàn)[6]研究了斜拉橋各個構(gòu)件在不同季節(jié)下的溫度作用影響;文獻(xiàn)[7-8]研究了獨(dú)塔斜拉橋在施工和成橋階段的各種敏感參數(shù)對于橋梁的影響;文獻(xiàn)[9]研究了獨(dú)塔斜拉橋施工階段0號塊的應(yīng)力分析;文獻(xiàn)[10]研究了輔助墩的設(shè)立對于橋梁在不同溫差作用下對撓度的控制。

本文以溫?zé)岬貐^(qū)的獨(dú)塔斜拉橋作為研究對象,采用有限元軟件Midas/Civil來進(jìn)行橋梁溫度荷載下的位移和彎矩比較,分析輔助墩的設(shè)置對于橋梁的整體撓度有無有利影響。

1 計(jì)算簡圖介紹

本文采用位于溫?zé)岬貐^(qū)的獨(dú)塔斜拉橋作為計(jì)算模型,全橋長364 m,在橋梁正中間向下設(shè)置一個25 m主橋墩,向上設(shè)置一個高度為48的橋塔,斜拉橋采用的是左右對稱的設(shè)計(jì)思路每邊設(shè)置9對拉索,拉索錨固區(qū)域位于橋梁的中央,橋面的寬度為25 m,整體橋梁的截面形式為箱型截面,兩端最外側(cè)拉索到邊支座各有14的無索區(qū),從最外側(cè)拉索到中心支座處的截面是按照變截面的處理方法,橋體梁高從3 m變?yōu)?.m,具體構(gòu)件截面簡圖尺寸見圖1。獨(dú)塔斜拉橋的整體采用混凝土進(jìn)行澆筑,主梁和橋塔采用C50,橋墩采用C40;輔助墩高度與主橋墩一致為25 m,尺寸為5 m×14 m;整體橋梁具體長度為(14+168+168+14)m的布置,不考慮樁—土效應(yīng),橋梁整體的各部件特性值見表1,整體簡圖見圖2。

圖1 橋梁橫截面尺寸簡圖/m

表1 特性值

圖2 斜拉橋簡圖/m

2 有限元模型

利用Midas/Civil軟件建立獨(dú)塔斜拉橋的全橋動力模型,本模型包含146個節(jié)點(diǎn)和126個單元,在軟件中橋塔和箱型截面梁建模用梁單元,兩端橋臺在軟件中釋放X方向移動和Y方向的轉(zhuǎn)動,其余方向全部約束;主橋墩和梁體兩者剛性連接,橋體和拉索兩者剛性連接,主梁和橋塔兩者連接方式也是剛性的,各個橋墩底部按固結(jié)方法和大地相連后續(xù)添加的輔助墩和梁體兩者連接剛性,輔助墩距橋塔126 m,簡圖見圖3。

圖3 全橋有限元模型

3 溫度荷載作用下斜拉橋的力學(xué)性能

橋梁在自然環(huán)境中會受到各種各樣的氣候影響[11],而混凝土構(gòu)件受到周圍氣候變化的影響,會產(chǎn)生內(nèi)外的溫度差,這些溫度在構(gòu)件的表面會急速變化,這種變化可能是上升或下降,而混凝土構(gòu)件的散熱性能又較差,容易發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象,就導(dǎo)致橋梁的開裂和破壞。本節(jié)選取構(gòu)件在整體升溫和梯度升溫的情況下,對設(shè)置輔助墩和無輔助墩進(jìn)行比較,為保證研究的可靠性,保持獨(dú)塔斜拉橋的整體不變,只在兩邊的主梁下部添加輔助墩來進(jìn)行研究。定義的工況如表2所示。

表2 工況表

3.1 整體升溫的影響

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[12]JTG D60-2015規(guī)定,橋梁整體在太陽的照射下,表面和內(nèi)部都會發(fā)生變化,故橋梁的變形應(yīng)從最開始考慮,還要包括最低和最高有效溫度的影響作用,具體取值按表3。

表3 公路橋梁的有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值 /℃

本節(jié)的橋梁在溫?zé)岬貐^(qū),對橋梁整體進(jìn)行升溫25℃的操作,觀察整體橋梁模型在整體升溫之后,輔助墩的設(shè)立對于橋梁整體的位移和彎矩有無影響,為保證結(jié)果具有可比性,獨(dú)塔斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)不變,只在斜拉橋兩側(cè)添加輔助墩,具體結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 整體升溫豎向位移圖

圖5 整體升溫主梁彎矩圖

由圖4可知,在整體升溫25℃不設(shè)置輔助墩的情況下,獨(dú)塔斜拉橋的最大豎向位移出現(xiàn)在距離橋塔122.5 m的位置,且對稱分布,最大位移向下達(dá)到了33 mm,并且在橋塔和主梁剛接的部位也出現(xiàn)了向上的6 mm位移;在整體升溫25℃設(shè)置輔助墩的情況下,斜拉橋的最大位移出現(xiàn)在距離橋塔94.5 m的位置,且對稱分布,最大位移向上達(dá)到了21 mm,并且在設(shè)置輔助墩之后橋梁的位移由原來的向下發(fā)生最大位移轉(zhuǎn)化為向上發(fā)生。說明輔助墩的添加可以明顯的表現(xiàn)在整體升溫下橋梁的主梁豎向位移變小,使橋梁剛度提升,而且輔助墩的添加使得位移相比于不添加時減小了36.4%。

由圖5可知,在整體升溫25℃不設(shè)置輔助墩的情況下,橋梁正中央產(chǎn)生的最大負(fù)彎矩達(dá)到了-86 320 kN·m,兩邊斜拉索部分的主梁最大彎矩分別達(dá)到了27 322.08 kN·m和26 400.01 kN·m,且呈對稱分布;在設(shè)置輔助墩的情況下,減小了橋梁在橋塔與主梁剛接部位的彎矩,約為無輔助墩的50%。但因?yàn)檩o助墩和主梁是剛接的,所以在剛接部位發(fā)生了較大的彎矩突變,且輔助墩的位置處存在著較大的彎矩。

3.2 梯度升溫的影響

該橋梁整體采用混凝土施工建成,可以按照表4所示的結(jié)果進(jìn)行選擇類型,并按選好的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行梯度溫度的加載。由規(guī)范可以得知,在后續(xù)計(jì)算橋梁因?yàn)閺耐獠康絻?nèi)部的溫度差值引起的內(nèi)外溫差,可以按圖6的豎向梯度溫度圖來進(jìn)行調(diào)整,以保證橋梁在考慮到梯度溫度作用時的準(zhǔn)確性。其中如果H＜400 mm時,A可以取值為H-100 mm;如果H≥400 mm時,A可以取值為300 mm。

表4 豎向日照正溫差的溫度基數(shù)/℃

圖6 混凝土箱梁豎向梯度溫度圖/mm

為保證結(jié)果具有可比性,獨(dú)塔斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)不變,只在橋塔兩邊添加輔助墩,對比結(jié)果見圖7和圖8。由圖7可知,梯度升溫不像整體升溫那樣是位移對稱分布的變化圖,并且在梯度升溫25℃不設(shè)置輔助墩的情況下最大位移出現(xiàn)在右側(cè)的斜拉橋拉索區(qū)域,達(dá)到了11.5 mm,而左側(cè)的豎向位移只有6.6 mm,在橋墩和主梁剛接的部位出現(xiàn)的位移幾乎可以忽略,只有0.12 mm;在梯度升溫25℃設(shè)置輔助墩的情況下,主梁整體的位移相比于無輔助墩時出現(xiàn)了明顯的減小,最大處也只有2.4 mm。這說明在梯度升溫下,添加輔助墩可以表現(xiàn)出較好的控制變形的能力,使得橋梁剛度提升,并且輔助墩的添加相比于不添加時的最大位移減小了79.1%。由圖8可知,不設(shè)置輔助墩和設(shè)置輔助墩的最大彎矩都出現(xiàn)在橋塔和主梁剛接的中央附近,其值分別為65 839.75 kN·m和69 545.98 kN·m,在梯度升溫的情況下輔助墩的設(shè)置對于彎矩的影響不明顯,設(shè)置輔助墩的橋梁在左側(cè)和中央部位發(fā)生了較大的彎矩突變,并且橋梁中間附近的突變前彎矩大于無輔助墩的。圖8中在兩側(cè)輔助墩的位置和橋塔與主梁剛接位置處的彎矩都發(fā)生了突變,但是突變的大小不一致,是由于梯度升溫和連接方式而導(dǎo)致的。

圖7 梯度升溫豎向位移圖

圖8 梯度升溫主梁彎矩圖

4 結(jié)論

采用Midas/Civil軟件研究某大跨度獨(dú)塔斜拉橋剛構(gòu)體系,分析了在溫度荷載下有無輔助墩設(shè)置的內(nèi)力性能差別,在研究溫度的作用下得出了一些結(jié)論:

(1)輔助墩和主梁進(jìn)行剛性連接會導(dǎo)致主梁在溫度作用下的彎矩在輔助墩設(shè)置處發(fā)生突變,會影響橋梁整體的安全,可選用其他連接方式;

(2)在整體和梯度升溫2種情況下,輔助墩的設(shè)置都能明顯的減小大跨度橋梁的豎向位移,使橋梁位移分布變得更合理,提高橋梁的整體剛度;整體升溫下輔助墩還能減小獨(dú)塔斜拉橋中央部位的彎矩,梯度升溫下輔助墩對于減小主梁彎矩的作用不明顯;

(3)整體升溫比梯度升溫對于橋梁的影響大,是因?yàn)檎w升溫將橋梁內(nèi)部的溫度全部設(shè)置為與最外部一致,因此,橋梁在使用過程中不可忽視溫度荷載的影響。