王斌

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730000)

大砂坪特大橋超寬薄壁空心橋墩溫度效應(yīng)分析

王斌

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730000)

蘭渝鐵路蘭州樞紐大砂坪特大橋為四線橋梁，橋墩采用圓端形空心墩，屬超寬薄壁結(jié)構(gòu)。本文以此橋為研究對象，首先簡要介紹了超寬空心墩計算溫度應(yīng)力時所需的溫度分布場相關(guān)參數(shù)，然后通過有限元軟件ANSYS建立數(shù)值模型進行了溫度效應(yīng)理論分析，結(jié)果顯示由溫差引起的空心墩環(huán)向和豎向應(yīng)力值較大，需要合理設(shè)置墩身鋼筋來解決混凝土開裂問題，最后根據(jù)計算結(jié)果對墩身進行了配筋設(shè)計。

超寬薄壁空心墩 溫度場 溫度效應(yīng) ANSYS

隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，受力性能好、縱橫向剛度大、又能節(jié)省圬工的空心墩越來越多地應(yīng)用于工程實踐，除了在高度上不斷突破之外，多線空心墩的應(yīng)用也屢見不鮮。多線鐵路空心墩的特點為縱橫向?qū)挾鹊谋戎岛艽?，壁厚與橫橋向?qū)挾鹊谋戎颠h小于1/10，屬于超寬薄壁結(jié)構(gòu)。空心橋墩屬于空間板殼結(jié)構(gòu)，有其一定的特殊性，如高墩的穩(wěn)定性較差、施工難度較大、施工周期較長，同時由于受外界環(huán)境的影響，結(jié)構(gòu)外部和內(nèi)部溫度也在不停的變化中，由于混凝土的導(dǎo)熱性能差，其周圍環(huán)境氣溫及日照輻射作用使表面溫度迅速上升而內(nèi)部變化較為遲緩，在混凝土結(jié)構(gòu)中形成較大的溫度梯度，由此產(chǎn)生的溫度變形在受到約束時會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，這種溫差應(yīng)力可能會大于活載及恒載產(chǎn)生的應(yīng)力，不僅影響正常運營，而且威脅到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

近些年隨著對混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的重視，常規(guī)空心橋墩結(jié)構(gòu)在設(shè)計計算中采用經(jīng)驗溫度數(shù)據(jù)進行近似計算，主要從構(gòu)造上加以改善，如通過增設(shè)通風(fēng)孔，增設(shè)護面鋼筋等措施來減少溫度應(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫。然而，對這類多線超寬空心墩溫度應(yīng)力問題的研究，在國內(nèi)外的研究較少，為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全，開展多線超寬空心墩溫度效應(yīng)的研究十分必要。

1 工程概況

蘭渝鐵路蘭州樞紐大砂坪特大橋位于蘭州市城關(guān)區(qū)大砂坪，為站場內(nèi)四線鐵路橋梁，橋面總寬28.2 m，橋上道岔密布，孔跨布置極為復(fù)雜，橋高45 m，全長1 324.49 m。設(shè)計活載為中—活載，鐵路等級為Ⅰ級，設(shè)計客車行車速度120 km/h。本文選取其中的12#橋墩進行研究，其墩高40 m，上下實體段高度分別為1.5，2.5 m，墩頂橫向?qū)挾?0.1 m、縱向?qū)挾?.4 m、壁厚0.5 m，橫縱向?qū)挾缺戎礲/a=4.56，壁厚與橫向?qū)挾缺戎祎/b=1/40.2＜1/10，屬于典型的超寬薄壁結(jié)構(gòu)和空間板殼結(jié)構(gòu)，橋墩構(gòu)造圖如圖1所示。

2 超寬空心墩溫度場分布規(guī)律及參數(shù)

研究溫度效應(yīng)的關(guān)鍵是確定合理的溫度場分布，溫度場分布異常復(fù)雜，不僅與氣候、地形、結(jié)構(gòu)材料本身的熱工性質(zhì)等密切相關(guān)，而且這些因素又各自受多種因素的影響，且溫度場隨時間在不斷變化，因此確定起來有相當(dāng)?shù)碾y度。

通過為期一年的現(xiàn)場溫度觀測和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的采集，分析寒潮降溫、橫橋向日照升溫、順橋向日照升溫、斜橋向日照升溫4種工況下溫度場，并參照文獻［1-2］，最終得出超寬空心橋墩溫度場分布規(guī)律:空心墩表面溫度的分布近似為一余弦曲線，其中太陽輻射溫差沿周邊呈圓心角余弦函數(shù)變化，氣溫溫差沿四周對稱均勻分布。限于篇幅，本文只給出斜橋向日照工況時的分布規(guī)律，如圖2所示。日照溫差作用下溫差沿壁厚方向呈指數(shù)函數(shù)分布(圖3)，其中溫度系數(shù)β在寒潮降溫時為7.25;日照升溫時為4.5。

3 超寬空心墩溫度應(yīng)力與位移計算分析［3 -8 ］

利用通用有限元軟件ANSYS根據(jù)實際橋墩構(gòu)造尺寸建立有限元分析模型，首先仿真出各工況下的結(jié)構(gòu)溫度場分布，然后根據(jù)熱—力耦合原則，進行結(jié)構(gòu)場結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移求解。為了全面分析超寬空心墩溫度效應(yīng)對其受力性能的影響，設(shè)計了寒潮降溫+外荷載組合、橫橋向日照升溫+外荷載組合、順橋向日照升溫+外荷載組合和斜橋向日照升溫+外荷載組合4種溫度荷載工況，首先分析了這4種工況下的應(yīng)力和位移。然后利用ANSYS積分功能計算出內(nèi)力，最后根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果，提出了解決溫度應(yīng)力的鋼筋配置方案。限于篇幅，僅示出順橋向日照升溫+外荷載組合工況下的墩身應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖1 四線超寬圓端形薄壁空心墩構(gòu)造(單位:m)

圖2 薄壁空心墩斜橋向日照示意

圖3 溫差沿壁厚方向的變化

3.1 寒潮降溫與外荷載組合工況墩身應(yīng)力分析

外荷載組合分為主力+制動力+縱向風(fēng)力、主力+橫向風(fēng)力兩種情況。對超寬空心墩分別進行了寒潮降溫+主力+制動力+縱向風(fēng)力、寒潮降溫+主力+橫向風(fēng)力兩種情況下的墩身應(yīng)力計算分析。結(jié)果見表1。

由表1可知:

1)寒潮降溫作用會使墩身外壁受拉而內(nèi)壁受壓，而外荷載作用下主要產(chǎn)生墩身豎向壓應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力較小，由于寒潮降溫作用產(chǎn)生的豎向拉應(yīng)力比外荷載產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力大，因此在兩者疊加作用下墩身外壁仍然出現(xiàn)了3.62 MPa的豎向拉應(yīng)力，已經(jīng)大于C35混凝土的極限抗拉強度2.50 MPa，因此需要配置外壁豎向抗拉鋼筋，以防止外壁混凝土發(fā)生橫向裂縫。

圖4 順橋向日照升溫+外荷載組合工況下的墩身應(yīng)力云圖

表1 寒潮降溫與外荷載組合作用下的墩身應(yīng)力計算結(jié)果

2)由于外荷載產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力較小，因此與寒潮降溫疊加作用后墩身環(huán)向應(yīng)力仍主要由寒潮降溫作用貢獻，外壁環(huán)向最大拉應(yīng)力達到5.23 MPa，遠超C35混凝土的極限抗拉強度2.50 MPa，因此需要配置外壁環(huán)向抗拉鋼筋，以防止外壁混凝土發(fā)生豎向裂縫。

3.2 日照升溫與外荷載組合作用下墩身應(yīng)力分析

日照升溫作用使薄壁空心墩外壁受壓，內(nèi)壁受拉，為全面比較，分別在橫橋向日照升溫+外荷載組合、順橋向日照升溫+外荷載組合、斜橋向日照升溫+外荷載組合3種工況下對超寬空心墩墩身應(yīng)力進行計算分析，3種工況的外荷載組合均采用主力+制動力。計算分析中發(fā)現(xiàn)，日照升溫+外荷載組合作用下，因日照方位的不同，墩身產(chǎn)生最不利應(yīng)力的位置也不同，最大壓應(yīng)力一般出現(xiàn)在正向日照面。計算結(jié)果見表2。

表2 日照升溫+外荷載組合作用下墩身應(yīng)力計算結(jié)果

由表2可知:

1)日照升溫作用會使墩身外壁受壓而內(nèi)壁受拉，在外荷載作用下主要產(chǎn)生墩身豎向壓應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力較小，兩者疊加作用后墩身仍以受壓為主，且由外壁最大壓應(yīng)力控制。按照文獻［9-10］規(guī)定，C35混凝土在彎曲受壓及偏心受壓狀態(tài)主力作用下允許應(yīng)力值為11.8 MPa，主力+附加力共同作用下允許應(yīng)力提高30%后為15.34 MPa。日照升溫+外荷載組合工況下墩身豎向壓應(yīng)力最大為10.93 MPa，小于允許應(yīng)力值15.34 MPa，富余值為40%，說明墩身的豎向強度是有足夠安全保障的。

2)由于外荷載產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力較小，因此與日照升溫作用疊加后墩身環(huán)向應(yīng)力仍主要由日照升溫作用貢獻，內(nèi)壁環(huán)向最大拉應(yīng)力達到3.02 MPa，超過C35混凝土的極限抗拉強度2.50 MPa，因此需要配置內(nèi)壁環(huán)向抗拉鋼筋，以防止內(nèi)壁混凝土產(chǎn)生豎向裂縫。

3.3 各荷載組合下位移分析

由表1、表2可知，各種溫度荷載與外荷載組合作用下豎向位移最大為13.84 mm，橫橋向位移最大只有0.94 mm，影響較小，說明超寬空心墩的橫向剛度是足夠的。但在順橋向日照作用下引起的縱向位移最大為12.47 mm，其值較大。如果再考慮地基及基礎(chǔ)引起的位移，則墩頂?shù)目v向位移有可能超限，因此在進行整體橋墩設(shè)計時應(yīng)檢查溫度荷載與外荷載及基礎(chǔ)變形共同作用下產(chǎn)生的墩頂位移是否仍滿足規(guī)范要求。

4 墩身溫度應(yīng)力配筋計算及方案

1)由于外荷載和自身重力對豎向溫度拉應(yīng)力有減小作用，豎向軸力大時，相對偏心彎矩較小，因此豎向配筋量較小，設(shè)計時一般不控制，只要最小的構(gòu)造配筋率就可滿足要求。墩身中部豎向內(nèi)壁采用φ12@ 20 cm的HRB335配筋方式就可以滿足要求，受固端干擾應(yīng)力的影響，墩身上部2 m范圍內(nèi)需要加密至φ12@10 cm。

2)外荷載產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力較小，環(huán)向應(yīng)力主要由寒潮降溫作用或日照升溫作用貢獻，墩壁環(huán)向表現(xiàn)為大偏心受壓或受拉狀態(tài)，環(huán)向配筋應(yīng)控制。寒潮降溫+外荷載組合下，墩身外壁環(huán)向配筋由裂縫控制，至少應(yīng)該采用φ16@10 cm的配筋方式;受固端干擾應(yīng)力的影響，墩身上部和下部各4 m范圍需要加密至φ20@ 10 cm。日照升溫+外荷載組合作用下，墩身內(nèi)壁環(huán)向配筋也由裂縫控制，至少應(yīng)采用φ18@10 cm的配筋方式;受固端干擾應(yīng)力的影響，墩身上部和下部一定范圍內(nèi)配筋可適當(dāng)減少。

5 結(jié)論與建議

1)由于空心墩環(huán)向溫度應(yīng)力變化幅度較大，設(shè)計時宜根據(jù)計算結(jié)果配置內(nèi)外壁足夠的豎向及環(huán)向溫度鋼筋，以控制溫度裂縫的產(chǎn)生。依據(jù)溫度效應(yīng)的鋼筋配置方案，原則上豎向鋼筋不宜低于φ16@15 cm，環(huán)向鋼筋不宜低于φ16@10 cm。

2)為減少溫度荷載，經(jīng)濟條件允許時，宜將空心墩壁厚增至0.7～1.0 m，空心墩內(nèi)外壁設(shè)置內(nèi)陡外緩不一樣的坡率，以適當(dāng)增加壁厚。

3)墩身豎向主要由外壁最大壓應(yīng)力控制，由于溫度荷載引起的豎向應(yīng)力較大，因此為使墩身混凝土允許應(yīng)力不超限，并留有足夠安全保障，設(shè)計時在恒載+活載及其它外荷載作用下的墩身混凝土壓應(yīng)力宜控制在6 MPa以內(nèi)。

4)內(nèi)外壁溫差主要決定于內(nèi)外壁空氣溫度交換的效率和沿壁厚溫度交換的效率，這就需要改進通風(fēng)孔或采取其他措施縮小溫差。從通風(fēng)孔的設(shè)置角度，建議盡可能增大通風(fēng)孔直徑和數(shù)量或采取優(yōu)化通風(fēng)孔方位的方法減少空心墩溫差效應(yīng);從減少外壁溫度的角度考慮，建議采取涂抹保溫隔熱涂層的方法來減少空心墩溫差效應(yīng)。

［1］鐵道部第四勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊:橋梁墩臺［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］鐵道部第三勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊:橋梁設(shè)計通用資料［Z］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［3］張運波.薄壁空心高墩的溫度效應(yīng)及其對穩(wěn)定性影響的研究［D］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2010.

［4］彭友松.混凝土橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)理論及應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

［5］張亮亮.高速鐵路空心高墩日照溫度場研究［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2013(1):42-46.

［6］蔣國富.大跨徑橋梁高墩日照溫度效應(yīng)的研究［D］.西安:長安大學(xué)，2005.

［7］趙亮.鐵路橋墩溫度效應(yīng)有限元分析［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

［8］武立群.混凝土箱梁和空心高墩溫度場及溫度效應(yīng)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2012.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—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)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

(責(zé)任審編葛全紅)

U443.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.10

1003-1995(2015)06-0034-04

2014-12-10;

2015-02-20

王斌(1981—)，男，甘肅秦安人，工程師。