大砂坪特大橋超寬薄壁空心橋墩溫度效應分析

王斌

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州730000)

大砂坪特大橋超寬薄壁空心橋墩溫度效應分析

王斌

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州730000)

蘭渝鐵路蘭州樞紐大砂坪特大橋為四線橋梁，橋墩采用圓端形空心墩，屬超寬薄壁結構。本文以此橋為研究對象，首先簡要介紹了超寬空心墩計算溫度應力時所需的溫度分布場相關參數，然后通過有限元軟件ANSYS建立數值模型進行了溫度效應理論分析，結果顯示由溫差引起的空心墩環向和豎向應力值較大，需要合理設置墩身鋼筋來解決混凝土開裂問題，最后根據計算結果對墩身進行了配筋設計。

超寬薄壁空心墩 溫度場 溫度效應 ANSYS

隨著鐵路建設的發展，受力性能好、縱橫向剛度大、又能節省圬工的空心墩越來越多地應用于工程實踐，除了在高度上不斷突破之外，多線空心墩的應用也屢見不鮮。多線鐵路空心墩的特點為縱橫向寬度的比值很大，壁厚與橫橋向寬度的比值遠小于1/10，屬于超寬薄壁結構。空心橋墩屬于空間板殼結構，有其一定的特殊性，如高墩的穩定性較差、施工難度較大、施工周期較長，同時由于受外界環境的影響，結構外部和內部溫度也在不停的變化中，由于混凝土的導熱性能差，其周圍環境氣溫及日照輻射作用使表面溫度迅速上升而內部變化較為遲緩，在混凝土結構中形成較大的溫度梯度，由此產生的溫度變形在受到約束時會產生較大的溫差應力，這種溫差應力可能會大于活載及恒載產生的應力，不僅影響正常運營，而且威脅到結構的安全性和耐久性。

近些年隨著對混凝土結構溫度應力的重視，常規空心橋墩結構在設計計算中采用經驗溫度數據進行近似計算，主要從構造上加以改善，如通過增設通風孔，增設護面鋼筋等措施來減少溫度應力產生的結構裂縫。然而，對這類多線超寬空心墩溫度應力問題的研究，在國內外的研究較少，為保證橋梁結構的安全，開展多線超寬空心墩溫度效應的研究十分必要。

1 工程概況

蘭渝鐵路蘭州樞紐大砂坪特大橋位于蘭州市城關區大砂坪，為站場內四線鐵路橋梁，橋面總寬28.2 m，橋上道岔密布，孔跨布置極為復雜，橋高45 m，全長1 324.49 m。設計活載為中—活載，鐵路等級為Ⅰ級，設計客車行車速度120 km/h。本文選取其中的12#橋墩進行研究，其墩高40 m，上下實體段高度分別為1.5，2.5 m，墩頂橫向寬度20.1 m、縱向寬度4.4 m、壁厚0.5 m，橫縱向寬度比值b/a=4.56，壁厚與橫向寬度比值t/b=1/40.2＜1/10，屬于典型的超寬薄壁結構和空間板殼結構，橋墩構造圖如圖1所示。

2 超寬空心墩溫度場分布規律及參數

研究溫度效應的關鍵是確定合理的溫度場分布，溫度場分布異常復雜，不僅與氣候、地形、結構材料本身的熱工性質等密切相關，而且這些因素又各自受多種因素的影響，且溫度場隨時間在不斷變化，因此確定起來有相當的難度。

通過為期一年的現場溫度觀測和現場試驗數據的采集，分析寒潮降溫、橫橋向日照升溫、順橋向日照升溫、斜橋向日照升溫4種工況下溫度場，并參照文獻［1-2］，最終得出超寬空心橋墩溫度場分布規律:空心墩表面溫度的分布近似為一余弦曲線，其中太陽輻射溫差沿周邊呈圓心角余弦函數變化，氣溫溫差沿四周對稱均勻分布。限于篇幅，本文只給出斜橋向日照工況時的分布規律，如圖2所示。日照溫差作用下溫差沿壁厚方向呈指數函數分布(圖3)，其中溫度系數β在寒潮降溫時為7.25;日照升溫時為4.5。

3 超寬空心墩溫度應力與位移計算分析［3 -8 ］

利用通用有限元軟件ANSYS根據實際橋墩構造尺寸建立有限元分析模型，首先仿真出各工況下的結構溫度場分布，然后根據熱—力耦合原則，進行結構場結構應力和位移求解。為了全面分析超寬空心墩溫度效應對其受力性能的影響，設計了寒潮降溫+外荷載組合、橫橋向日照升溫+外荷載組合、順橋向日照升溫+外荷載組合和斜橋向日照升溫+外荷載組合4種溫度荷載工況，首先分析了這4種工況下的應力和位移。然后利用ANSYS積分功能計算出內力，最后根據內力計算結果，提出了解決溫度應力的鋼筋配置方案。限于篇幅，僅示出順橋向日照升溫+外荷載組合工況下的墩身應力云圖，如圖4所示。

圖1 四線超寬圓端形薄壁空心墩構造(單位:m)

圖2 薄壁空心墩斜橋向日照示意

圖3 溫差沿壁厚方向的變化

3.1 寒潮降溫與外荷載組合工況墩身應力分析

外荷載組合分為主力+制動力+縱向風力、主力+橫向風力兩種情況。對超寬空心墩分別進行了寒潮降溫+主力+制動力+縱向風力、寒潮降溫+主力+橫向風力兩種情況下的墩身應力計算分析。結果見表1。

由表1可知:

1)寒潮降溫作用會使墩身外壁受拉而內壁受壓，而外荷載作用下主要產生墩身豎向壓應力，環向應力較小，由于寒潮降溫作用產生的豎向拉應力比外荷載產生的豎向壓應力大，因此在兩者疊加作用下墩身外壁仍然出現了3.62 MPa的豎向拉應力，已經大于C35混凝土的極限抗拉強度2.50 MPa，因此需要配置外壁豎向抗拉鋼筋，以防止外壁混凝土發生橫向裂縫。

圖4 順橋向日照升溫+外荷載組合工況下的墩身應力云圖

表1 寒潮降溫與外荷載組合作用下的墩身應力計算結果

2)由于外荷載產生的環向應力較小，因此與寒潮降溫疊加作用后墩身環向應力仍主要由寒潮降溫作用貢獻，外壁環向最大拉應力達到5.23 MPa，遠超C35混凝土的極限抗拉強度2.50 MPa，因此需要配置外壁環向抗拉鋼筋，以防止外壁混凝土發生豎向裂縫。

3.2 日照升溫與外荷載組合作用下墩身應力分析

日照升溫作用使薄壁空心墩外壁受壓，內壁受拉，為全面比較，分別在橫橋向日照升溫+外荷載組合、順橋向日照升溫+外荷載組合、斜橋向日照升溫+外荷載組合3種工況下對超寬空心墩墩身應力進行計算分析，3種工況的外荷載組合均采用主力+制動力。計算分析中發現，日照升溫+外荷載組合作用下，因日照方位的不同，墩身產生最不利應力的位置也不同，最大壓應力一般出現在正向日照面。計算結果見表2。

表2 日照升溫+外荷載組合作用下墩身應力計算結果

由表2可知:

1)日照升溫作用會使墩身外壁受壓而內壁受拉，在外荷載作用下主要產生墩身豎向壓應力，環向應力較小，兩者疊加作用后墩身仍以受壓為主，且由外壁最大壓應力控制。按照文獻［9-10］規定，C35混凝土在彎曲受壓及偏心受壓狀態主力作用下允許應力值為11.8 MPa，主力+附加力共同作用下允許應力提高30%后為15.34 MPa。日照升溫+外荷載組合工況下墩身豎向壓應力最大為10.93 MPa，小于允許應力值15.34 MPa，富余值為40%，說明墩身的豎向強度是有足夠安全保障的。

2)由于外荷載產生的環向應力較小，因此與日照升溫作用疊加后墩身環向應力仍主要由日照升溫作用貢獻，內壁環向最大拉應力達到3.02 MPa，超過C35混凝土的極限抗拉強度2.50 MPa，因此需要配置內壁環向抗拉鋼筋，以防止內壁混凝土產生豎向裂縫。

3.3 各荷載組合下位移分析

由表1、表2可知，各種溫度荷載與外荷載組合作用下豎向位移最大為13.84 mm，橫橋向位移最大只有0.94 mm，影響較小，說明超寬空心墩的橫向剛度是足夠的。但在順橋向日照作用下引起的縱向位移最大為12.47 mm，其值較大。如果再考慮地基及基礎引起的位移，則墩頂的縱向位移有可能超限，因此在進行整體橋墩設計時應檢查溫度荷載與外荷載及基礎變形共同作用下產生的墩頂位移是否仍滿足規范要求。

4 墩身溫度應力配筋計算及方案

1)由于外荷載和自身重力對豎向溫度拉應力有減小作用，豎向軸力大時，相對偏心彎矩較小，因此豎向配筋量較小，設計時一般不控制，只要最小的構造配筋率就可滿足要求。墩身中部豎向內壁采用φ12@ 20 cm的HRB335配筋方式就可以滿足要求，受固端干擾應力的影響，墩身上部2 m范圍內需要加密至φ12@10 cm。

2)外荷載產生的環向應力較小，環向應力主要由寒潮降溫作用或日照升溫作用貢獻，墩壁環向表現為大偏心受壓或受拉狀態，環向配筋應控制。寒潮降溫+外荷載組合下，墩身外壁環向配筋由裂縫控制，至少應該采用φ16@10 cm的配筋方式;受固端干擾應力的影響，墩身上部和下部各4 m范圍需要加密至φ20@ 10 cm。日照升溫+外荷載組合作用下，墩身內壁環向配筋也由裂縫控制，至少應采用φ18@10 cm的配筋方式;受固端干擾應力的影響，墩身上部和下部一定范圍內配筋可適當減少。

5 結論與建議

1)由于空心墩環向溫度應力變化幅度較大，設計時宜根據計算結果配置內外壁足夠的豎向及環向溫度鋼筋，以控制溫度裂縫的產生。依據溫度效應的鋼筋配置方案，原則上豎向鋼筋不宜低于φ16@15 cm，環向鋼筋不宜低于φ16@10 cm。

2)為減少溫度荷載，經濟條件允許時，宜將空心墩壁厚增至0.7～1.0 m，空心墩內外壁設置內陡外緩不一樣的坡率，以適當增加壁厚。

3)墩身豎向主要由外壁最大壓應力控制，由于溫度荷載引起的豎向應力較大，因此為使墩身混凝土允許應力不超限，并留有足夠安全保障，設計時在恒載+活載及其它外荷載作用下的墩身混凝土壓應力宜控制在6 MPa以內。

4)內外壁溫差主要決定于內外壁空氣溫度交換的效率和沿壁厚溫度交換的效率，這就需要改進通風孔或采取其他措施縮小溫差。從通風孔的設置角度，建議盡可能增大通風孔直徑和數量或采取優化通風孔方位的方法減少空心墩溫差效應;從減少外壁溫度的角度考慮，建議采取涂抹保溫隔熱涂層的方法來減少空心墩溫差效應。

［1］鐵道部第四勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊:橋梁墩臺［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］鐵道部第三勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊:橋梁設計通用資料［Z］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［3］張運波.薄壁空心高墩的溫度效應及其對穩定性影響的研究［D］.北京:中國鐵道科學研究院，2010.

［4］彭友松.混凝土橋梁結構日照溫度效應理論及應用研究［D］.成都:西南交通大學，2007.

［5］張亮亮.高速鐵路空心高墩日照溫度場研究［J］.山東交通學院學報，2013(1):42-46.

［6］蔣國富.大跨徑橋梁高墩日照溫度效應的研究［D］.西安:長安大學，2005.

［7］趙亮.鐵路橋墩溫度效應有限元分析［D］.重慶:重慶大學，2007.

［8］武立群.混凝土箱梁和空心高墩溫度場及溫度效應研究［D］.重慶:重慶大學，2012.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

(責任審編葛全紅)

U443.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.10

1003-1995(2015)06-0034-04

2014-12-10;

2015-02-20

王斌(1981—)，男，甘肅秦安人，工程師。