鋼箱-混凝土組合梁的溫度變形分析

張 菂

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

新型鋼箱-混凝土組合結構具有自重輕、承載力高、建筑高度小等優點,其橫向穩定性和抗扭性能都比較好,故鋼箱-混凝土組合結構用于高速鐵路具有一定的優越性。高速鐵路對橋梁的剛度要求非常嚴格,而箱梁結構受溫度變化的影響很大。國內外針對預應力混凝土箱型梁的溫度變形已經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計規范中。為了確保鋼箱-混凝土組合梁能滿足剛度設計要求,也應當對其進行溫度變形分析。本文運用大型通用有限元軟件A N S Y S對某擬建的鋼箱-混凝土組合試驗梁進行了溫度變形分析。

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時箱梁頂板、腹板同時受日照及下午 14時箱梁頂板受日照時的溫度荷載分布相對應。

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,其溫度分布比較復雜,要分析每一瞬間的溫度應力在工程上是不可行的。只能從各種復雜的溫度分布模式中,選取某幾種對鋼箱-混凝土組合梁產生最不利影響的溫度分布進行分析。

2 鋼箱-混凝土組合試驗梁計算模型

本文選用的鋼箱-混凝土組合試驗梁為單跨簡支梁,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。在鋼箱梁內設置縱向加勁肋及橫隔板,橫隔板自跨中截面向兩側每 1m設置一個,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 4,參照中國規范,頂板溫度高于底板溫度,溫差 25℃,溫度呈指數變化,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。

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

圖3 鋼箱-混凝土組合梁溫度變形計算模式

4 鋼箱-混凝土組合試驗梁的溫度變形分析

4.1 計算參數

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。混凝土按 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 α=1.25×10-5。

梁全長l=24.768 m,計算跨度 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-混凝土組合試驗梁的箱體部分、橫隔板、縱向加勁肋及支座加強板均采用殼單元,混凝土板采用實體單元。網格劃分如圖 4所示,共計節點 6 970個,單元 5 208個,其中,殼單元 4 128個,實體單元 1 080個。

模型采用的坐標系為:橋軸向為 Z方向,橫橋向為 X方向,豎橋向為 Y方向。

圖4 鋼箱-混凝土組合梁有限元空間模型

分析時將溫度荷載施加在單元節點上,鋼箱-混凝土組合試驗梁在 5個溫度荷載工況下的變形見圖 5。

鋼箱混凝土板組合試驗梁在 5種工況溫度荷載作用下的變形結果列入表1。

4.3 溫度變形計算結果分析

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當梁頂面溫度高于梁底面溫度時, 應滿足

fymax

②當梁頂面溫度低于梁底面溫度時,應滿足

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。我國高速暫行規定撓度控制值簡稱為中國限值,德國規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定要求,而對于德國規范的規定,僅在工況 5按英國B S 5400溫度分布模式計算時才能滿足控制條件。

5 結 論

根據以上分析可以看出,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,這樣勢必在正常運營時產生更大的撓度,甚至發生梁的破壞。對此,在設計時應當考慮溫度變形影響,或對結構采取隔熱措施處理。此外,不同的溫度分布模式對結構變形也有很大影響。由于目前國內外大多數豎向溫度分布模式均為基于試驗基礎得出的非線性分布形式,側重于其引起的溫度次應力,當梁的變形成為設計控制值(如磁懸浮軌道梁對撓度的要求很高),則應考慮建立反映實際溫度變形效應的溫度模式,開展相應的溫度分布測試。

[1]劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[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計暫行規定[S]

[3]T B 10002-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]

[4]T B 10022-2005鐵路橋涵鋼結構設計規范[S]

[5]英國標準學會.英國標準 B S 5400.鋼橋混凝土橋及結合橋(上冊)[S]

[6]英國標準學會.英國標準 B S 5400.鋼橋混凝土橋及結合橋(下冊)[S]

[7]王林.各國規范關于混凝土箱梁橋溫度應力計算的分析與比較[J].公路,2004(6)