圓端形空心橋墩溫度應力分析

周 婷

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

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圓端形空心橋墩溫度應力分析

周 婷

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

日照和寒潮引起的空心墩溫度應力較大，在設計中不容忽視。結合某鐵路工程空心橋墩通用圖設計，分析此類結構的溫度應力分布特點和對墩身產生的不利影響，設計中應通過合理布置鋼筋來預防混凝土開裂。

空心橋墩 溫度應力 日照作用 寒潮作用

1 概述

隨著現代鐵路建設的發展，空心橋墩由于其在高墩方面的優越性，已被廣泛應用到橋梁工程中。與實體橋墩有所不同，空心橋墩為空間板殼結構，內部環境相對封閉，且混凝土本身導熱性能低，設計中需考慮溫度對結構受力的影響。

當空心墩周圍氣溫環境迅速變化時，墩壁內外會在很短時間內形成較大溫差，產生較大溫差應力。溫差沿空心墩壁厚為非線性變化，但截面仍服從平截面假定，于是截面溫度變形受到約束而產生內約束溫度應力；此外，由于邊界條件約束，還會產生外約束溫度應力。設計中若忽視溫度應力帶來的影響，不采取合理措施，會導致空心墩開裂，威脅到結構的安全性和耐久性。因而，進行溫度應力分析，通過合理配置鋼筋來解決溫度應力問題，對空心墩設計來說尤為重要。以某鐵路工程的圓端形空心橋墩通用圖設計為例，對不同墩高與壁厚的空心墩進行溫度應力的分析研究。

2 溫度應力分析

2.1 溫度荷載

空心墩主要受到氣溫升溫、太陽輻射和寒潮降溫這三種溫度荷載的作用。根據實測統計資料，溫差沿壁厚方向可簡化為按指數函數分布，距墩壁外表面x處的溫差按下式取值：

氣溫升溫、寒潮降溫溫差

Ax=A·e-βx

太陽輻射溫差

Ax=A·e-βx·cos φ

其中，x為以墩外壁表面為原點的徑向坐標，A為內外壁表面溫差(根據調查到的既有試驗數據和研究結論，取值如下：墩壁厚1 m及以下，氣溫升溫溫差按5 ℃考慮，太陽輻射溫差按8 ℃考慮；墩壁厚1 m以上，氣溫升溫溫差按8 ℃考慮，太陽輻射溫差按10 ℃考慮；寒潮溫差均按-10 ℃考慮)，φ為墩外壁某點法線與太陽直射線的水平夾角，β為根據溫度荷載類型采用的系數(氣溫升溫溫差β取6，太陽輻射溫差β取10，寒潮溫差β取4.5)。

空心墩溫度應力分析應分別考慮日照溫差(包括氣溫升溫溫差和太陽輻射溫差)和寒潮溫差荷載與外荷載的組合。空心墩墩身水平方向主要為溫度應力，豎向則需將溫度應力與外荷載應力疊加。

2.2 空心墩結構模型

研究對象為時速350 km高鐵的24 m、32 m簡支梁雙線圓端形空心墩，設計墩高范圍15～60 m，頂帽縱向寬度3.4～4.4 m，橫向寬度7.8 m，結構輪廓見圖1。

圖1 空心墩結構(單位：cm)

為了對空心墩進行溫度應力分析，利用MIDAS FEA計算軟件建立結構有限元模型。分別模擬壁厚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這幾種尺寸的空心墩。結構網格劃分見圖2。

圖2 空心墩結構網格劃分

如前所述，溫差荷載沿壁厚方向按指數函數分布。以壁厚1.3 m的空心墩為例，溫度場分布見表1、表2。

表1 壁厚1.3 m空心墩溫度場分布 ℃

表2 壁厚1.3 m空心墩圓端處輻射溫度場分布 ℃

2.3 計算結果分析

通過有限元計算，得到在寒潮溫差和不同斜照角度日照溫差作用下，空心墩墩身的環向水平應力、徑向水平應力和豎向應力。空心墩截面尺寸遠大于其壁厚，故徑向水平溫差應力很小，這里不再考慮。以壁厚1 m的空心墩為例，溫度應力云圖如圖3～圖10所示。以壁厚0.5 m、1 m、1.8 m的空心墩為例，溫度應力值對比見表3、表4。

圖3 1 m壁厚寒潮溫差作用下環向水平應力(單位：MPa)

圖4 1 m壁厚寒潮溫差作用下豎向應力(單位：MPa)

圖5 1 m壁厚斜照45 ℃日照溫差作用下環向水平應力(單位：MPa)

圖6 1 m壁厚斜照45 ℃日照溫差作用下豎向應力(單位：MPa)

圖7 1 m壁厚斜照0 ℃日照溫差作用下環向水平應力(單位：MPa)

圖8 1 m壁厚斜照30 ℃日照溫差作用下環向水平應力(單位：MPa)

圖9 1 m壁厚斜照60 ℃日照溫差作用環向水平應力(單位：MPa)

圖10 1 m壁厚斜照90 ℃日照溫差作用環向水平應力(單位：MPa)

以上各圖和表中數據，正值表示拉應力，負值表示壓應力。

表3 空心墩寒潮溫差應力對比

表4 空心墩斜照45 ℃日照溫差應力對比

計算得到空心墩外壁和內壁的應力之后，根據墩臺手冊中的溫度應力概化圖，編制空心墩配筋表格，求出拉、壓應力分布，以及中性軸、合力作用點的位置，進而計算出截面合力矩。根據溫度應力的計算結果，與部分外荷載組合，進行溫度力鋼筋設計。通過計算發現，由于寒潮溫差作用使空心墩外壁豎向受拉，而日照作用使空心墩外壁豎向受壓，因此空心墩豎向配筋受寒潮與外荷載的組合控制；水平環向配筋由日照溫差和寒潮溫差分別控制，而且日照溫差作用對配筋更為重要。溫度應力豎向配筋驗算基本上能夠通過，但水平方向若按常規設計采用直徑12 mm，間距10 cm的HRB400環向鋼筋來驗算，鋼筋應力和裂縫寬度一般會超限。例如壁厚1 m的空心墩，經計算，需將環向鋼筋直徑加強至18 mm，檢算指標才能滿足規范要求。

3 結論

(1)空心墩的截面尺寸遠大于壁厚，故徑向水平溫差應力很小，計算時僅考慮豎向應力和環向水平應力。沿墩身高度方向的溫度應力變化很小，可認為墩高對溫度應力分布無影響。

(2)寒潮作用下，空心墩外壁受拉、內壁受壓；日照作用下，外壁受壓、內壁受拉。由非線性溫度場得到溫度應力也呈現明顯的非線性趨勢；一般是外壁應力最大，然后向內很快衰減，到內壁趨于均勻。

(3)隨著壁厚增大，空心墩外壁溫度應力不斷增大，內壁溫度應力逐漸減小。這是由于隨著壁厚的增加，空心墩內外空氣的流通更為困難，內外壁溫差取值會增大。

(4)空心墩豎向配筋受寒潮與外荷載的組合控制；水平環向配筋由日照溫差和寒潮溫差分別控制，而且日照溫差作用對配筋更為重要。

(5)空心橋墩設計時，溫度應力問題必須引起足夠的重視，建議對墩身鋼筋進行加強設計，尤其應加大墩身水平環向配筋，以確保結構的安全性和耐久性。

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Temperature Stress Analysis of Round-ended Hollow Pier

ZHOU Ting

2016-09-13

周 婷(1985—)，女，2009年畢業于北京交通大學橋梁工程專業，工學碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0102-04

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