混凝土空心橋墩日照溫度應力分析

摘 要：現目前，混凝土空心高墩在設計和施工中越來越普遍。對于這種空心高墩結構，因日輻射和氣溫變化作用產生的溫度應力，常常成為橋墩設計的主要控制因素之一。如何合理地考慮混凝土空心高墩的溫度應力，是關系高墩結構經濟、安全的一個重要問題。文章分析了空心橋墩橫向溫差應力的計算方法，具有較強的參考和實用價值。

關鍵詞：空心橋墩；混凝土；溫差應力；ANSYS

1 引言

對于混凝土空心橋墩，因日照產生的溫度應力，通常分成橫向溫差應力和豎向溫差應力。橫向溫差應力包括水平溫度內應力和水平框架超靜定溫差應力，前者是由橋墩各個壁板上的非線性溫度分布引起；后者是由于橋墩各個壁板的彎曲變形受到框架約束作用而產生。豎向溫差應力包括豎向局部溫差內應力和豎向支承約束外應力。目前，橋梁設計多采用平面或空間桿系有限元軟件進行結構分析，通過對模型施加梯度溫度來體現日照溫差作用引起的橋墩豎向應力和變形，但對日照橫向溫差應力考慮較少。本文主要對橫向溫度應力進行分析。

2 橫向溫差應力分析

混凝土空心橋墩的橫向溫差應力，可分為水平自約束應力和水平框架超靜定溫差應力計算。前者按非線性溫度分布下厚板的溫差應力計算；后者可按水平框架分析計算，先求出線性溫度分布時水平超靜定溫差應力，然后再乘以非線性溫度分布的修正系數？滋。關于線性溫差分布下超靜定結構的溫差應力分析，可參照結構力學方法進行。

2.1 水平自約束應力計算

采用混凝土橋墩為一均質彈性體、沿墩豎向的溫度分布基本一致、截面變形保持平面等假定，在日照作用下，當太陽正曬時，根據鋼筋混凝土結構的熱傳導特性分析和模型試驗實測資料，沿橫截面高度方向的溫度分布按指數函數規律變化。略去兩側壁板內外表面溫度的微小差別和沿墩高方向的微小溫差，沿橫截面高度方向的溫度分布為：ty=T0·e-ay，其中，T0=t1-t2。

由于自約束應力和溫度自由應變與平面變形后所保留的應變差成正比，根據圖1的溫度分布和應變關系，在無外荷載作用下，橋墩的局部自約束應力 ，可按下式計算：

式中：h-橋墩截面高墩，以米（m）計；b-橋墩截面寬度；b0-橋墩截面空心部分寬度；？啄-橋墩側壁厚度；n-截面重心距側壁外表面距離；F-截面積；I0-截面中心軸慣性矩。

2.2 水平框架超靜定溫差應力計算

根據圖2所示的水平框架計算圖，按結構力學求解超靜定的方法，可得到一下方程組：

考慮非線性溫度分布的修正系數？滋0，則AB板、CD板的溫差彎矩為：

相應的溫差應力為：

3 基于ANSYS的橫向溫差應力分析

在ANSYS中，溫度場和溫度效應計算可在同一個命令流中實現。在完成溫度場分析之后，更改工作文件名，將熱分析單元（PLANE77）轉換為結構分析單元（PLANE183），施加必要約束，設置參考溫度，利用循環語句，讀取熱分析結果文件中每一時刻的溫度場，并作為分布荷載施加于原有模型上。通過靜力分析，求解多個荷載步，即可完成各個時刻的溫度效應計算。

對某橋梁軸線走向為南偏東40度的混凝土空心橋墩的橫向溫度進行分析。該橋墩截面為矩形，長12米，寬6.8米，壁厚為2米。計算結果表明：在日照作用下，上午的橫橋向應力以東南側墩壁最為突出，下午的橫橋向應力以東南側和西北側墩壁最為突出，其他壁板橫橋向應力較小，壁板外表面受壓，內表面受拉，最大拉應力一般出現在壁板內部；日照橫向溫差應力計算應考慮雙向溫差組合，下午的雙向溫差作用對橫向溫差應力的影響比上午更為顯著，其控制時刻應選在西南側和西北側墩壁溫差最大的時刻。

以17：00時刻為例，此時西北和西南側墩壁同時出現最大溫差，東南和西北側墩壁的橫橋向應力都比較大，其他兩墩壁的橫橋向應力很小，壁板外表面受壓，內表面受拉；縱橋向應力以受日照作用的西南側墩壁最為突出，東北側墩壁縱橋向應力也較大，壁板外表面受壓，內表面受拉，且壁板內部的拉應力要高于壁板內表面的拉應力，其他墩壁的縱橋向拉應力很小。沿東南側和西北側壁厚方向的橫橋向應力曲線及云圖和西南側側沿壁厚方向的縱橋向應力曲線及云圖如下圖3所示。

（a）17：00東南側X向溫度 （b）17：00東南側X向溫度

應力沿壁厚曲線 應力沿壁厚云圖

（c）17：00西北側X向溫度 （d）17：00西北側X向溫度

應力沿壁厚曲線 應力沿壁厚云圖

（e）17：00西南側Y向溫度 （f）17：00西南側Y向溫度

應力沿壁厚曲線 應力沿壁厚云圖

4 結束語

日照橫向溫差應力計算應考慮雙向溫差組合。對于一般方位角的混凝土空心橋墩，下午的雙向溫差作用對橫向溫差應力的影響比上午更為顯著，其控制時刻應選在西南側和西北側墩壁溫差最大的時刻。

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