斜拉橋索塔錨固區(qū)在溫度效應(yīng)作用下的受力特性分析

鐘力全

廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507

由于斜拉橋索塔內(nèi)通風(fēng)不良，且混凝土本身導(dǎo)熱性能低，當(dāng)塔周氣溫發(fā)生驟變時(shí)，塔壁內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差，溫差沿塔壁厚度分布是非線性的，而截面變形服從平截面假定，于是截面變形受到約束而產(chǎn)生內(nèi)約束溫度應(yīng)力。

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的理論及計(jì)算現(xiàn)均處于試驗(yàn)研究階段，各種計(jì)算方法都還不夠完善，根據(jù)既有的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，橋塔在施工和運(yùn)營過程中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，其主要原因如下：混凝土在澆筑過程中所散發(fā)的水化熱使其溫度升高、外界氣溫呈周期性變化引起塔中內(nèi)外溫差、太陽輻射的影響。由于上述原因，混凝土體內(nèi)部各點(diǎn)之間以及混凝土和周圍介質(zhì)間會產(chǎn)生溫差，體積隨之伸縮，當(dāng)構(gòu)件不能自由伸縮而受到約束或限制時(shí)，就產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

目前對于斜拉橋索塔錨固區(qū)溫度應(yīng)力的分析研究相對較少，故文章主要針對斜拉橋索塔錨固區(qū)在不同工況作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，并針對薄弱部位提出設(shè)計(jì)建議。其中除了溫度應(yīng)力，混凝土在澆筑過程中的水化熱產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生在施工過程中，屬于施工荷載，只要采取有效的控制溫度應(yīng)力的措施就可以使這種應(yīng)力顯著降低，故不再進(jìn)行檢算。

1 索塔錨固區(qū)受力特性的計(jì)算原則

1.1 溫度效應(yīng)取值

為簡化計(jì)算，可將豎向應(yīng)力和水平方向應(yīng)力用同一瞬時(shí)溫度梯度分別按單向應(yīng)力狀態(tài)求解。溫度應(yīng)力應(yīng)分別按氣溫溫差、太陽輻射溫差和寒潮溫差進(jìn)行計(jì)算。

日照溫度主要受到太陽直接輻射、天空輻射、地面反射、氣溫變化、風(fēng)速及地理緯度、橋梁的方位和塔壁朝向、附近地形地貌影響，是一個隨機(jī)變化的復(fù)雜函數(shù)。從工程應(yīng)用的角度來看，根據(jù)既有結(jié)構(gòu)的實(shí)測資料分析可知在地理緯度、方位角、時(shí)間及地形確定的情況下，日照溫度主要受太陽輻射強(qiáng)度、溫度變化及風(fēng)速的影響，故溫度參數(shù)的取值只與太陽輻射和溫度變化有關(guān)。根據(jù)已有的半經(jīng)驗(yàn)公式，求得溫度分布曲線，代入計(jì)算模型中求解。

在日照情況下，干燥狀態(tài)下混凝土的溫差比潮濕狀態(tài)下要大一些。骨料對比熱的影響也較大，最大可差至1.6倍左右?；炷恋臒崤蛎浵禂?shù)相對來說較為穩(wěn)定，可采用1E-5取值。一般來說，結(jié)構(gòu)最高溫度出現(xiàn)在下午2：00左右，而朝東結(jié)構(gòu)表面在上午10：00左右出現(xiàn)當(dāng)天最高溫度，產(chǎn)生最大溫差分布；朝西向則在下午5：00左右產(chǎn)生當(dāng)天最高溫度，發(fā)現(xiàn)最大溫差；不受日照的結(jié)構(gòu)面其溫度幾乎保持不變。

就我國而言，地理緯度對最大溫差影響較小，這是因?yàn)槲覈鞯剌椛鋸?qiáng)度相差不大，但對橋梁寬度方向的最大溫差分布有較大的影響。同時(shí)，海洋環(huán)境比大陸環(huán)境溫差要小，城市由于環(huán)境污染比山區(qū)溫差要小，山區(qū)橋梁受到山體遮擋溫差也會較小。

從工程分析角度來講，只需從復(fù)雜的分布中結(jié)合既有的工程經(jīng)驗(yàn)，選取適用于橋梁的最不利溫度分布即可。

1.2 計(jì)算原則

在對溫度荷載的研究中，筆者分別查閱了BS5400英國橋梁規(guī)范、澳大利亞國家道路管理局全國協(xié)會橋梁規(guī)范、新西蘭橋梁規(guī)范、日本橋梁道路設(shè)計(jì)規(guī)范、美國橋梁規(guī)范、瑞士橋梁規(guī)范，其中溫差最大的為新西蘭推薦值32℃。

橋塔溫度應(yīng)力特點(diǎn)主要為溫度應(yīng)力一般是日照正溫差時(shí)，外壁受壓，內(nèi)壁受拉，當(dāng)寒潮降溫為負(fù)溫差時(shí)，外壁受拉，內(nèi)壁受壓，根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，溫度應(yīng)力一般是按照日照工況下內(nèi)壁、寒潮工況下外壁拉應(yīng)力控制設(shè)計(jì)。

2 索塔錨固區(qū)受力特性的計(jì)算分析

2.1 工程概況

文章所依據(jù)的工程是某地區(qū)工程中某雙塔鋼箱桁梁斜拉橋，全橋長為(60+120+324+120+60)m。索塔采用H型索塔，塔底以上索塔全高為123m，橋面以上塔高105.8m，橋面以下塔高17.2m，橋面以上塔的高跨比為1/3.06。索塔順橋向尺寸為6～10m，即由塔頂6m線型加寬至下橫梁8m，再加寬至塔底10m。上塔柱為斜拉索錨固區(qū)，兩分離式豎直塔柱，塔柱中心距為16.4m。單箱單室截面，每柱橫橋向?qū)挾葹?m，順橋向?qū)挾扔?m線型增加到6.971m，橫橋向壁厚為0.8m，順橋向壁厚為1.5m。上塔柱上部設(shè)置頂帽，上頂帽主要起減少箱形橋塔截面畸變的作用，其本身受力較小，但需要滿足一定的剛度要求，并無特殊的要求。頂帽厚0.5m，塔壁靠近頂帽處設(shè)置尺寸為0.5m×0.5m的倒角，頂帽壁板處設(shè)置人孔，人孔尺寸為1m×1m。

2.2 橋梁實(shí)體模型建立

文章利用Midas FEA軟件建立橋梁模型，如圖1所示，然后對錨固區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。

圖1 橋梁模型圖

對于索塔，各模型采用的荷載組合如下。

工況（1）主力+附加力+寒潮：恒載+活載（豎向活載、搖擺力）+附加力（制動力、風(fēng)力、整體溫度、頂板溫度）+寒潮溫度應(yīng)力。

工況（2）主力+附加力+日照：恒載+活載（豎向活載、搖擺力）+附加力（制動力、風(fēng)力、整體溫度、頂板溫度）+日照溫度應(yīng)力。

工況（3）換索+寒潮：斷換索產(chǎn)生應(yīng)力+寒潮溫度應(yīng)力。

工況（4）換索+日照：斷換索產(chǎn)生應(yīng)力+日照溫度應(yīng)力。

2.3 計(jì)算結(jié)果

（1）縱向水平應(yīng)力。激活上塔柱預(yù)應(yīng)力后，計(jì)算了結(jié)構(gòu)在4種工況下的應(yīng)力狀態(tài)，4種工況下上塔柱外壁縱向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力儲備比二維計(jì)算結(jié)果富余更大。因此，采用二維方法建立梁單元橫框模型計(jì)算預(yù)應(yīng)力是偏于安全的。

（2）橫向水平應(yīng)力。4種工況下，上塔柱外壁沿橋橫向應(yīng)力分布，如圖2所示。

圖2 4種工況下塔柱外壁橫向水平應(yīng)力云圖（單位：MPa）

從圖2中可以看出，上塔柱外壁橫向應(yīng)力絕大部分為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力儲備較小。同時(shí)，換索+寒潮為最不利工況，外壁產(chǎn)生了約0.6MPa的拉應(yīng)力，與二維分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

文章通過三維模型對上塔柱豎向及水平向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，考慮主+附和換索分別與寒潮和日照組合的4種工況，其計(jì)算指標(biāo)滿足要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及與二維方法進(jìn)行的對比，得到以下結(jié)論：

（1）寒潮對截面拉應(yīng)力貢獻(xiàn)明顯，大多數(shù)情況下?lián)Q索+寒潮為最不利工況，應(yīng)盡量避免在寒潮狀態(tài)下?lián)Q索。此外，截面預(yù)應(yīng)力配置可依據(jù)主+附+寒潮工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

（2）當(dāng)斜拉索豎直角較大，斜拉索較密集時(shí)，可以采用二維方法建立塔柱橫框模型驗(yàn)算截面預(yù)應(yīng)力，所得的結(jié)果與三維分析結(jié)果接近，且偏于安全；當(dāng)斜拉索豎直角較小，斜拉索間距較大時(shí)，二維方法對截面的簡化與截面的實(shí)際狀態(tài)差異較大，宜采用三維方法驗(yàn)算截面預(yù)應(yīng)力。

（3）上塔柱兩個方向水平應(yīng)力沿高度的整體變化趨勢一致，即自上而下應(yīng)力逐漸降低。同時(shí)也存在差異性，即斜拉索孔道附近的橫向水平應(yīng)力相對較大，遠(yuǎn)離孔道的區(qū)域應(yīng)力相對較小。因此，預(yù)應(yīng)力配置時(shí)應(yīng)盡可能沿豎向滿布，鋼束密度可以自上而下逐漸減?。辉谛崩骺椎栏浇m當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力配置密度，并布置螺旋筋防止應(yīng)力集中導(dǎo)致混凝土開裂。