超高薄壁空心墩空间应力场分析及防裂对策研究

李光跃 任浩

摘要:以某工程实例为基础建立超高薄壁空心墩的有限元模型，并对其进行温度荷载的加载，分析薄壁空心墩的应力场；通过建立外部尺寸相同而壁厚不同的空心墩模型进行温度加载，分析壁厚对薄壁空心墩防裂性能的影响，从而达到对超高薄壁空心墩的空间应力场及其防裂对策进行研究的目的。结果表明：薄壁空心墩在温度荷载作用下，内壁以受压的应力状态为主，而外壁以主拉应力为主，此外，在外部尺寸确定的情况下，超高薄壁空心墩的防裂可通过适当增加其壁厚实现。

关键词:桥梁工程，超高薄壁空心墩，应力场分析，防裂对策研究

中图分类号：K928文献标识码： A

引言

近些年来，在很多工程中可以发现桥墩上出现多处裂缝，从裂缝的形态来看，这并非是直接由外荷载引起的，经过国内外学者的研究分析，此种裂缝是因温度的变化而产生。虽然目前在这一方面很多人已经做了大量的研究工作并获得了许多有意义的成果与经验，但是，针对大型连续刚构桥桥墩，特别是超高薄壁空心墩的研究并没有一套完整的理论供设计人员参考。

刘兴法[1]等根据观测数据给出了温度场分布的有关表达式以及温度应力的简单近似算法。强士中和彭友松[2]对混凝土的日照温度场进行了深入的研究工作，提出了计算箱型薄壁结构的日照温差的解析法。方志[3]对巴东长江公路大桥混凝土桥塔的温度效应进行了探讨，并利用有限元软件计算了不同截面形式索塔的温度应力。蒋国富[4]以洛河大桥为背景，通过长时间的观测，对洛河特大桥桥墩进行了温度应力分析和计算。任翔、黄平明[5]在宜昌长江大桥的监控过程中对桥塔的温度场进行了全年观测，提出了混凝土桥塔沿壁厚方向温差梯度荷载按线性分布同时对温度裂纹的扩展行为进行了预测。

本文通过对某一实际工程的不间断测量以及有限元FEA模型的深入分析，对超高薄壁空心墩的横向应力分布、壁厚对应力分布的影响、防裂措施等进行了比较精细的研究。

1 工程实例

本文以陕西某在建高速公路桥梁为例进行分析，该主桥是一座跨径组合为（98+185×5+98）m的超高墩特大跨预应力连续刚构桥，主桥主墩为双排墩，共计六排，编号按里程依次为11~16#，其总体布置图如图1所示。

图1 桥墩总体布置图

本文以15#主墩为例进行应力场的分析，该墩高度为180m，其截面除承台以上400cm范围内为实心截面外，其余部分采用从高至低逐渐增大的矩形空心断面。

2薄壁空心墩应力场空间仿真分析

2.1 三维空间有限元模型建立

本次计算采用Midas FEA建立双幅桥墩的实体有限元模型，边界条件简化为在桥墩底面施加固定约束；自重荷载以混凝土实际容重计入，最终建立模型如图2所示。

图2 15#墩三维空间有限元模型

2.2 薄壁空心墩空间应力场分析

2.2.1 应力测点布置

为简化分析，此次分析仅以南侧一幅桥墩为例进行计算，本文主要研究沿墩截面长宽方向的应力

分布，即应力的横向分布。为便于观察，在横向共设置6个观测路径，墩壁内外侧各6个；从下至上每隔24m一个，进行布置。

2.2.2 温度应力计算

对桥墩的横向温度应力分析，一方面考虑采用整体桥墩模型，另一方面采用二维平面有限元模型，二者结合计算。荷载采用温差较大的温差荷载进行计算，该温差为2013年12月31日20:00，桥墩温度场测试中南侧墩壁内外达到最大负温差6.5℃，此时，东侧内外墩壁温差为-2.4℃，西侧内外墩壁温差为-4.0℃，北侧内外温差为-3.5℃。对整体模型的计算，如图4(a)、(b)所示。

(a) 主拉应力

(b) 主压应力

图3 主压应力、主拉应力计算结果

由图3可知，在桥墩内外壁负温差作用下，桥墩外壁出现较大的拉应力，路径C处最大拉应力可达1.09MPa，而内壁则出现较大压应力，路径b最大压应力达0.90MPa。

二维平面有限元模型的温度应力计算结果如图4所示。由图4可知：截面在南侧墩外壁中心处出现最大拉应力1.35MPa，而在内壁中心线处出现最大压应力为0.63MPa。

可以看出，平面网格的计算结果与整体模型相近，但是主拉应力更大，而主压应力更小。其原因是：平面网格做了比较多的简化，它完全忽略了温度在高度方向上的扩散作用，同时，其他层次上单元对其影响也很难考虑。

图4 二维平面网格及其温度应力云图

3 壁厚对桥墩应力场影响分析

壁厚是薄壁空心墩参数中最为关键的因素之一，合理的壁厚对桥梁的适用性和经济性的提高是明显的，桥墩壁厚太厚，一方面会造成资源浪费，另一方面会导致表面温度应力；桥墩壁厚太薄，虽然节省了材料，但是导致桥墩长期处于高应力状态，安全度不高，且容易造成局部失稳。为了进一步探明壁厚对温度效应的影响，建立A,B两个外尺寸相同、壁厚分别为80cm和120cm的二维有限元平面模型，进行对比。

当桥墩壁厚大于60cm之后，外界温度对桥墩内表面温度的影响就已经很小，因此，这里不考虑桥墩壁厚对内外壁温差的影响，鉴于此，给两个模型施加同一温度荷载，各个方向的内外壁温差-10℃，即桥墩外壁+10℃，内壁0℃。由于是对称模型，在进行结果对比时只对比左侧和下侧墩壁即可，模型A、B在温度荷载作用下的主拉应力、主压应力计算结果如图5(a)、(b)所示。

由图5可知：在相同的温差荷载作用下，模型A的主拉应力要比模型B稍大一些，而主压应力基本相同，也就是说，在外观尺寸相同的条件下，壁厚越大，内部的温度主拉应力越小。其原因是：在温差作用下，墩壁之间的纤维由于温度不同伸缩量也不同，这就导致纤维之间的相互作用，显然地，壁厚越大，这种相互作用就会越弱，那么自应力也

(a) 主拉应力

(b) 主压应力

图5 模型A、B应力计算结果对比分析

就越小，极限地讲，实心墩是同尺寸下温度应力最小的截面形式。

通过以上分析可知：在外部尺寸一定的情况下，可通过适当增加壁厚来抵抗温度应力。

4结语

1、本文首先以工程实例为基础，使用Midas FEA建立了某大桥薄壁空心墩的三维实体有限元模型；

2、其次，选择了在温度荷载作用下，应力大小具有代表性的部位，计算在温度荷载作用下的主拉应力、主压应力，对温度荷载作用下薄壁空心墩的应力场分布特点进行了分析；

3、建立了外部尺寸相同而壁厚不通过的两个空心墩模型，并计算两个模型内壁、外壁在相同的温度荷载作用下产生的主拉应力与主压应力，结果发现：模型A、B在温度荷载作用下的主压应力基本相同，而壁厚较大的模型B，各部位的主拉应力均明显小于前者，故在薄壁空心墩外部尺寸确定的情况下，适当增加壁厚可提高结构的防裂性能。

参考文献

[1]刘兴法. 预应力混凝土箱梁的温差荷载与应力检算[J]. 铁路标准设计，1986, (6):1-9.

[2]彭友松, 强士中, 李松. 圆形空心墩日照温度效应分析[ J ] .桥梁建设, 2006( 4) : 74- 67.

[3]方志，佘小年，汪剑，等. 大跨预应力混凝土连续梁桥的温度效应[J]. 公路，2003,11(11): 35-37.

[4]蒋国富. 大跨径桥梁高墩日照温度效应的研究[D] . 西安: 长安大学, 2005.

[5]任翔. 混凝土桥塔温变效应及开裂机理研究[D]. 西安：长安大学, 2009.