張 菂

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

新型鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有自重輕、承載力高、建筑高度小等優(yōu)點(diǎn),其橫向穩(wěn)定性和抗扭性能都比較好,故鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)用于高速鐵路具有一定的優(yōu)越性。高速鐵路對橋梁的剛度要求非常嚴(yán)格,而箱梁結(jié)構(gòu)受溫度變化的影響很大。國內(nèi)外針對預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁的溫度變形已經(jīng)開展了很多研究工作,并先后將溫度荷載納入各國的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中。為了確保鋼箱-混凝土組合梁能滿足剛度設(shè)計(jì)要求,也應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行溫度變形分析。本文運(yùn)用大型通用有限元軟件A N S Y S對某擬建的鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁進(jìn)行了溫度變形分析。

1 箱形梁的溫度荷載

圖1(a)為沿梁高、梁寬雙向溫差分布,圖 1(b)為沿梁高單向溫差分布。與上午 10時(shí)箱梁頂板、腹板同時(shí)受日照及下午 14時(shí)箱梁頂板受日照時(shí)的溫度荷載分布相對應(yīng)。

圖1 箱梁的兩種溫度分布圖式

鋼箱-混凝土組合梁由于頂板和腹板、底板材料不一樣,同一截面上的溫度變形不一致,其溫度分布比較復(fù)雜,要分析每一瞬間的溫度應(yīng)力在工程上是不可行的。只能從各種復(fù)雜的溫度分布模式中,選取某幾種對鋼箱-混凝土組合梁產(chǎn)生最不利影響的溫度分布進(jìn)行分析。

2 鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁計(jì)算模型

本文選用的鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁為單跨簡支梁,其截面形狀和尺寸見圖 2。

鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁的梁體高 2.2 m,混凝土板厚24.6c m,鋼箱梁上蓋板厚 1.4cm,翼緣懸臂 16cm,腹板厚1.4cm,底板厚 1.6cm,在支座附近箱底加寬且局部加強(qiáng)。在鋼箱梁內(nèi)設(shè)置縱向加勁肋及橫隔板,橫隔板自跨中截面向兩側(cè)每 1m設(shè)置一個(gè),板厚 12mm,人孔尺寸寬 60cm、長100cm。

圖2 鋼箱-混凝土組合梁截面形狀(單位:m m)

3 溫度荷載分布模式

對鋼箱-混凝土組合梁在不均勻溫度分布情況下的變形,主要考慮以下幾種工況:

(1)工況 1,溫度橫向分布,梁兩側(cè)溫差 15℃,溫度沿梁寬呈線性變化;

(2)工況 2,溫度沿梁高呈線性變化,底板溫度高于頂板溫度,溫差 15℃;

(3)工況 3,參照德國規(guī)范,頂板溫度高于底板溫度,溫差 25℃,溫度沿梁高呈線性變化;

(4)工況 4,參照中國規(guī)范,頂板溫度高于底板溫度,溫差 25℃,溫度呈指數(shù)變化,即 Tz=T0e-5z,Z的單位為 m,T0為 25℃;

(5)工況 5,參照 B S 5400的折線形溫度分布。

溫度計(jì)算模式如圖 3所示,圖中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別對應(yīng)于工況 1、2、3、4、5。

圖3 鋼箱-混凝土組合梁溫度變形計(jì)算模式

4 鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁的溫度變形分析

4.1 計(jì)算參數(shù)

鋼箱-混凝土組合梁中鋼材采用 16 Mn q鋼,其彈性模量為 Es=2.1×105MPa,泊松比 ν=0.3,容重為 γ=78.5 k N/m3?；炷涟?C 60考慮,其彈性模量為Ec=3.65×104MPa,泊松比 υ=0.2,容重 γ=25 k N/m3,熱膨脹系數(shù) α=1.25×10-5。

梁全長l=24.768 m,計(jì)算跨度 l0=24.068 m,橫向支座間距 l1=2.2m。

4.2 有限元空間分析模型的建立

鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁的箱體部分、橫隔板、縱向加勁肋及支座加強(qiáng)板均采用殼單元,混凝土板采用實(shí)體單元。網(wǎng)格劃分如圖 4所示,共計(jì)節(jié)點(diǎn) 6 970個(gè),單元 5 208個(gè),其中,殼單元 4 128個(gè),實(shí)體單元 1 080個(gè)。

模型采用的坐標(biāo)系為:橋軸向?yàn)?Z方向,橫橋向?yàn)?X方向,豎橋向?yàn)?Y方向。

圖4 鋼箱-混凝土組合梁有限元空間模型

分析時(shí)將溫度荷載施加在單元節(jié)點(diǎn)上,鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁在 5個(gè)溫度荷載工況下的變形見圖 5。

鋼箱混凝土板組合試驗(yàn)梁在 5種工況溫度荷載作用下的變形結(jié)果列入表1。

4.3 溫度變形計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 德國高速鐵路橋梁的溫度變形控制條件

(1)單跨簡支軌道梁的上下梁板間豎向溫差變形要求不超過以下的限值:

圖5 不同溫度荷載工況下的變形

①當(dāng)梁頂面溫度高于梁底面溫度時(shí), 應(yīng)滿足

fymax

②當(dāng)梁頂面溫度低于梁底面溫度時(shí),應(yīng)滿足

fymax

(2)單跨簡支軌道梁的左右梁板間橫向溫差變形要求不超過以下的限值:

fxmax

4.3.2 高速鐵路橋梁的撓度控制值

(1)多跨簡支梁豎向撓度控制值為:

fymax≤l/1800=24068/1800=13.37mm

(2)單跨簡支梁橫向撓度控制值如下:

fxmax≤l/4000=24068/4000=6.02 mm

其中,l為線路梁的跨度。

將 5種工況的荷載變形及限值要求匯總于表2中。我國高速暫行規(guī)定撓度控制值簡稱為中國限值,德國規(guī)范溫度變形控制值簡稱為德國限值。

由表2可知,該鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁在多種溫度荷載作用下的豎向和橫向撓度均能滿足我國高速鐵路暫行規(guī)定要求,而對于德國規(guī)范的規(guī)定,僅在工況 5按英國B S 5400溫度分布模式計(jì)算時(shí)才能滿足控制條件。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上分析可以看出,鋼箱-混凝土組合梁的溫度變形值較大,接近于我國高速鐵路暫行規(guī)定的橋梁剛度的控制值。溫度變形是不可避免的,這樣勢必在正常運(yùn)營時(shí)產(chǎn)生更大的撓度,甚至發(fā)生梁的破壞。對此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮溫度變形影響,或?qū)Y(jié)構(gòu)采取隔熱措施處理。此外,不同的溫度分布模式對結(jié)構(gòu)變形也有很大影響。由于目前國內(nèi)外大多數(shù)豎向溫度分布模式均為基于試驗(yàn)基礎(chǔ)得出的非線性分布形式,側(cè)重于其引起的溫度次應(yīng)力,當(dāng)梁的變形成為設(shè)計(jì)控制值(如磁懸浮軌道梁對撓度的要求很高),則應(yīng)考慮建立反映實(shí)際溫度變形效應(yīng)的溫度模式,開展相應(yīng)的溫度分布測試。

[1]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京:人民交通出版社,1991

[2]中華人民共和國鐵道部.京滬高速鐵路線橋隧站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[3]T B 10002-2005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[S]

[4]T B 10022-2005鐵路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5]英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會.英國標(biāo)準(zhǔn) B S 5400.鋼橋混凝土橋及結(jié)合橋(上冊)[S]

[6]英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會.英國標(biāo)準(zhǔn) B S 5400.鋼橋混凝土橋及結(jié)合橋(下冊)[S]

[7]王林.各國規(guī)范關(guān)于混凝土箱梁橋溫度應(yīng)力計(jì)算的分析與比較[J].公路,2004(6)