圆端形空心桥墩温度应力分析

2016-12-30周婷

铁道勘察 2016年6期

关键词：外壁寒潮环向

周婷

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

圆端形空心桥墩温度应力分析

周婷

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

日照和寒潮引起的空心墩温度应力较大，在设计中不容忽视。结合某铁路工程空心桥墩通用图设计，分析此类结构的温度应力分布特点和对墩身产生的不利影响，设计中应通过合理布置钢筋来预防混凝土开裂。

空心桥墩温度应力日照作用寒潮作用

1 概述

随着现代铁路建设的发展，空心桥墩由于其在高墩方面的优越性，已被广泛应用到桥梁工程中。与实体桥墩有所不同，空心桥墩为空间板壳结构，内部环境相对封闭，且混凝土本身导热性能低，设计中需考虑温度对结构受力的影响。

当空心墩周围气温环境迅速变化时，墩壁内外会在很短时间内形成较大温差，产生较大温差应力。温差沿空心墩壁厚为非线性变化，但截面仍服从平截面假定，于是截面温度变形受到约束而产生内约束温度应力；此外，由于边界条件约束，还会产生外约束温度应力。设计中若忽视温度应力带来的影响，不采取合理措施，会导致空心墩开裂，威胁到结构的安全性和耐久性。因而，进行温度应力分析，通过合理配置钢筋来解决温度应力问题，对空心墩设计来说尤为重要。以某铁路工程的圆端形空心桥墩通用图设计为例，对不同墩高与壁厚的空心墩进行温度应力的分析研究。

2 温度应力分析

2.1 温度荷载

空心墩主要受到气温升温、太阳辐射和寒潮降温这三种温度荷载的作用。根据实测统计资料，温差沿壁厚方向可简化为按指数函数分布，距墩壁外表面x处的温差按下式取值：

气温升温、寒潮降温温差

Ax=A·e-βx

太阳辐射温差

Ax=A·e-βx·cos φ

其中，x为以墩外壁表面为原点的径向坐标，A为内外壁表面温差(根据调查到的既有试验数据和研究结论，取值如下：墩壁厚1 m及以下，气温升温温差按5 ℃考虑，太阳辐射温差按8 ℃考虑；墩壁厚1 m以上，气温升温温差按8 ℃考虑，太阳辐射温差按10 ℃考虑；寒潮温差均按-10 ℃考虑)，φ为墩外壁某点法线与太阳直射线的水平夹角，β为根据温度荷载类型采用的系数(气温升温温差β取6，太阳辐射温差β取10，寒潮温差β取4.5)。

空心墩温度应力分析应分别考虑日照温差(包括气温升温温差和太阳辐射温差)和寒潮温差荷载与外荷载的组合。空心墩墩身水平方向主要为温度应力，竖向则需将温度应力与外荷载应力叠加。

2.2 空心墩结构模型

研究对象为时速350 km高铁的24 m、32 m简支梁双线圆端形空心墩，设计墩高范围15～60 m，顶帽纵向宽度3.4～4.4 m，横向宽度7.8 m，结构轮廓见图1。

图1 空心墩结构(单位：cm)

为了对空心墩进行温度应力分析，利用MIDAS FEA计算软件建立结构有限元模型。分别模拟壁厚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这几种尺寸的空心墩。结构网格划分见图2。

图2 空心墩结构网格划分

如前所述，温差荷载沿壁厚方向按指数函数分布。以壁厚1.3 m的空心墩为例，温度场分布见表1、表2。

表1 壁厚1.3 m空心墩温度场分布 ℃

表2 壁厚1.3 m空心墩圆端处辐射温度场分布 ℃

2.3 计算结果分析

通过有限元计算，得到在寒潮温差和不同斜照角度日照温差作用下，空心墩墩身的环向水平应力、径向水平应力和竖向应力。空心墩截面尺寸远大于其壁厚，故径向水平温差应力很小，这里不再考虑。以壁厚1 m的空心墩为例，温度应力云图如图3～图10所示。以壁厚0.5 m、1 m、1.8 m的空心墩为例，温度应力值对比见表3、表4。

图3 1 m壁厚寒潮温差作用下环向水平应力(单位：MPa)

图4 1 m壁厚寒潮温差作用下竖向应力(单位：MPa)

图5 1 m壁厚斜照45 ℃日照温差作用下环向水平应力(单位：MPa)

图6 1 m壁厚斜照45 ℃日照温差作用下竖向应力(单位：MPa)

图7 1 m壁厚斜照0 ℃日照温差作用下环向水平应力(单位：MPa)

图8 1 m壁厚斜照30 ℃日照温差作用下环向水平应力(单位：MPa)

图9 1 m壁厚斜照60 ℃日照温差作用环向水平应力(单位：MPa)

图10 1 m壁厚斜照90 ℃日照温差作用环向水平应力(单位：MPa)

以上各图和表中数据，正值表示拉应力，负值表示压应力。

表3 空心墩寒潮温差应力对比

表4 空心墩斜照45 ℃日照温差应力对比

计算得到空心墩外壁和内壁的应力之后，根据墩台手册中的温度应力概化图，编制空心墩配筋表格，求出拉、压应力分布，以及中性轴、合力作用点的位置，进而计算出截面合力矩。根据温度应力的计算结果，与部分外荷载组合，进行温度力钢筋设计。通过计算发现，由于寒潮温差作用使空心墩外壁竖向受拉，而日照作用使空心墩外壁竖向受压，因此空心墩竖向配筋受寒潮与外荷载的组合控制；水平环向配筋由日照温差和寒潮温差分别控制，而且日照温差作用对配筋更为重要。温度应力竖向配筋验算基本上能够通过，但水平方向若按常规设计采用直径12 mm，间距10 cm的HRB400环向钢筋来验算，钢筋应力和裂缝宽度一般会超限。例如壁厚1 m的空心墩，经计算，需将环向钢筋直径加强至18 mm，检算指标才能满足规范要求。