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        圓端形空心橋墩溫度應(yīng)力分析

        2016-12-30 01:46:52
        鐵道勘察 2016年6期
        關(guān)鍵詞:斜照寒潮外壁

        周 婷

        (鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,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)計院集團有限公司,天津 300142)

        日照和寒潮引起的空心墩溫度應(yīng)力較大,在設(shè)計中不容忽視。結(jié)合某鐵路工程空心橋墩通用圖設(shè)計,分析此類結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分布特點和對墩身產(chǎn)生的不利影響,設(shè)計中應(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)境相對封閉,且混凝土本身導(dǎo)熱性能低,設(shè)計中需考慮溫度對結(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,墩壁內(nèi)外會在很短時間內(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,還會產(chǎn)生外約束溫度應(yīng)力。設(shè)計中若忽視溫度應(yīng)力帶來的影響,不采取合理措施,會導(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,對空心墩設(shè)計來說尤為重要。以某鐵路工程的圓端形空心橋墩通用圖設(shè)計為例,對不同墩高與壁厚的空心墩進行溫度應(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)實測統(tǒng)計資料,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??招亩斩丈硭椒较蛑饕獮闇囟葢?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

        研究對象為時速350 km高鐵的24 m、32 m簡支梁雙線圓端形空心墩,設(shè)計墩高范圍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)

        為了對空心墩進行溫度應(yīng)力分析,利用MIDAS FEA計算軟件建立結(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,溫度場分布見表1、表2。

        表1 壁厚1.3 m空心墩溫度場分布 ℃

        表2 壁厚1.3 m空心墩圓端處輻射溫度場分布 ℃

        2.3 計算結(jié)果分析

        通過有限元計算,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,負值表示壓應(yīng)力。

        表3 空心墩寒潮溫差應(yīng)力對比

        表4 空心墩斜照45 ℃日照溫差應(yīng)力對比

        計算得到空心墩外壁和內(nèi)壁的應(yīng)力之后,根據(jù)墩臺手冊中的溫度應(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、合力作用點的位置,進而計算出截面合力矩。根據(jù)溫度應(yīng)力的計算結(jié)果,與部分外荷載組合,進行溫度力鋼筋設(shè)計。通過計算發(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配筋更為重要。溫度應(yīng)力豎向配筋驗算基本上能夠通過,但水平方向若按常規(guī)設(shè)計采用直徑12 mm,間距10 cm的HRB400環(huán)向鋼筋來驗算,鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度一般會超限。例如壁厚1 m的空心墩,經(jīng)計算,需將環(huán)向鋼筋直徑加強至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大于壁厚,故徑向水平溫差應(yīng)力很小,計算時僅考慮豎向應(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,可認為墩高對溫度應(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。由非線性溫度場得到溫度應(yīng)力也呈現(xiàn)明顯的非線性趨勢;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配筋更為重要。

        (5)空心橋墩設(shè)計時,溫度應(yīng)力問題必須引起足夠的重視,建議對墩身鋼筋進行加強設(shè)計,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

        A

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