超高薄壁空心墩空間應(yīng)力場(chǎng)分析及防裂對(duì)策研究

1、    超高薄壁空心墩空間應(yīng)力場(chǎng)分析及防裂對(duì)策研究    李光躍 任浩摘要:以某工程實(shí)例為基礎(chǔ)建立超高薄壁空心墩的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行溫度荷載的加載，分析薄壁空心墩的應(yīng)力場(chǎng)；通過建立外部尺寸相同而壁厚不同的空心墩模型進(jìn)行溫度加載，分析壁厚對(duì)薄壁空心墩防裂性能的影響，從而達(dá)到對(duì)超高薄壁空心墩的空間應(yīng)力場(chǎng)及其防裂對(duì)策進(jìn)行研究的目的。結(jié)果表明：薄壁空心墩在溫度荷載作用下，內(nèi)壁以受壓的應(yīng)力狀態(tài)為主，而外壁以主拉應(yīng)力為主，此外，在外部尺寸確定的情況下，超高薄壁空心墩的防裂可通過適當(dāng)增加其壁厚實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞:橋梁工程，超高薄壁空心墩，應(yīng)力場(chǎng)分析，防裂對(duì)策研究中圖分類

2、號(hào)：k928文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： a引言近些年來，在很多工程中可以發(fā)現(xiàn)橋墩上出現(xiàn)多處裂縫，從裂縫的形態(tài)來看，這并非是直接由外荷載引起的，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的研究分析，此種裂縫是因溫度的變化而產(chǎn)生。雖然目前在這一方面很多人已經(jīng)做了大量的研究工作并獲得了許多有意義的成果與經(jīng)驗(yàn)，但是，針對(duì)大型連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩，特別是超高薄壁空心墩的研究并沒有一套完整的理論供設(shè)計(jì)人員參考。劉興法1等根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)給出了溫度場(chǎng)分布的有關(guān)表達(dá)式以及溫度應(yīng)力的簡單近似算法。強(qiáng)士中和彭友松2對(duì)混凝土的日照溫度場(chǎng)進(jìn)行了深入的研究工作，提出了計(jì)算箱型薄壁結(jié)構(gòu)的日照溫差的解析法。方志3對(duì)巴東長江公路大橋混凝土橋塔的溫度效應(yīng)進(jìn)行了探討，并利用有限元

3、軟件計(jì)算了不同截面形式索塔的溫度應(yīng)力。蔣國富4以洛河大橋?yàn)楸尘?，通過長時(shí)間的觀測(cè)，對(duì)洛河特大橋橋墩進(jìn)行了溫度應(yīng)力分析和計(jì)算。任翔、黃平明5在宜昌長江大橋的監(jiān)控過程中對(duì)橋塔的溫度場(chǎng)進(jìn)行了全年觀測(cè)，提出了混凝土橋塔沿壁厚方向溫差梯度荷載按線性分布同時(shí)對(duì)溫度裂紋的擴(kuò)展行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)。本文通過對(duì)某一實(shí)際工程的不間斷測(cè)量以及有限元fea模型的深入分析，對(duì)超高薄壁空心墩的橫向應(yīng)力分布、壁厚對(duì)應(yīng)力分布的影響、防裂措施等進(jìn)行了比較精細(xì)的研究。1 工程實(shí)例本文以陜西某在建高速公路橋梁為例進(jìn)行分析，該主橋是一座跨徑組合為（98+185×5+98）m的超高墩特大跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋主墩為雙排墩，共計(jì)六

4、排，編號(hào)按里程依次為1116#，其總體布置圖如圖1所示。圖1 橋墩總體布置圖本文以15#主墩為例進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的分析，該墩高度為180m，其截面除承臺(tái)以上400cm范圍內(nèi)為實(shí)心截面外，其余部分采用從高至低逐漸增大的矩形空心斷面。2薄壁空心墩應(yīng)力場(chǎng)空間仿真分析2.1 三維空間有限元模型建立本次計(jì)算采用midas fea建立雙幅橋墩的實(shí)體有限元模型，邊界條件簡化為在橋墩底面施加固定約束；自重荷載以混凝土實(shí)際容重計(jì)入，最終建立模型如圖2所示。圖2 15#墩三維空間有限元模型2.2 薄壁空心墩空間應(yīng)力場(chǎng)分析2.2.1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置為簡化分析，此次分析僅以南側(cè)一幅橋墩為例進(jìn)行計(jì)算，本文主要研究沿墩截面長寬方

5、向的應(yīng)力分布，即應(yīng)力的橫向分布。為便于觀察，在橫向共設(shè)置6個(gè)觀測(cè)路徑，墩壁內(nèi)外側(cè)各6個(gè)；從下至上每隔24m一個(gè)，進(jìn)行布置。2.2.2 溫度應(yīng)力計(jì)算對(duì)橋墩的橫向溫度應(yīng)力分析，一方面考慮采用整體橋墩模型，另一方面采用二維平面有限元模型，二者結(jié)合計(jì)算。荷載采用溫差較大的溫差荷載進(jìn)行計(jì)算，該溫差為2013年12月31日20:00，橋墩溫度場(chǎng)測(cè)試中南側(cè)墩壁內(nèi)外達(dá)到最大負(fù)溫差6.5，此時(shí)，東側(cè)內(nèi)外墩壁溫差為-2.4，西側(cè)內(nèi)外墩壁溫差為-4.0，北側(cè)內(nèi)外溫差為-3.5。對(duì)整體模型的計(jì)算，如圖4(a)、(b)所示。(a) 主拉應(yīng)力(b) 主壓應(yīng)力圖3 主壓應(yīng)力、主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果由圖3可知，在橋墩內(nèi)外壁負(fù)溫差作

6、用下，橋墩外壁出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，路徑c處最大拉應(yīng)力可達(dá)1.09mpa，而內(nèi)壁則出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，路徑b最大壓應(yīng)力達(dá)0.90mpa。二維平面有限元模型的溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：截面在南側(cè)墩外壁中心處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力1.35mpa，而在內(nèi)壁中心線處出現(xiàn)最大壓應(yīng)力為0.63mpa?？梢钥闯?，平面網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與整體模型相近，但是主拉應(yīng)力更大，而主壓應(yīng)力更小。其原因是：平面網(wǎng)格做了比較多的簡化，它完全忽略了溫度在高度方向上的擴(kuò)散作用，同時(shí)，其他層次上單元對(duì)其影響也很難考慮。圖4 二維平面網(wǎng)格及其溫度應(yīng)力云圖3 壁厚對(duì)橋墩應(yīng)力場(chǎng)影響分析壁厚是薄壁空心墩參數(shù)中最為關(guān)鍵的因素之一，合理的壁厚對(duì)橋

7、梁的適用性和經(jīng)濟(jì)性的提高是明顯的，橋墩壁厚太厚，一方面會(huì)造成資源浪費(fèi)，另一方面會(huì)導(dǎo)致表面溫度應(yīng)力；橋墩壁厚太薄，雖然節(jié)省了材料，但是導(dǎo)致橋墩長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，安全度不高，且容易造成局部失穩(wěn)。為了進(jìn)一步探明壁厚對(duì)溫度效應(yīng)的影響，建立a,b兩個(gè)外尺寸相同、壁厚分別為80cm和120cm的二維有限元平面模型，進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)橋墩壁厚大于60cm之后，外界溫度對(duì)橋墩內(nèi)表面溫度的影響就已經(jīng)很小，因此，這里不考慮橋墩壁厚對(duì)內(nèi)外壁溫差的影響，鑒于此，給兩個(gè)模型施加同一溫度荷載，各個(gè)方向的內(nèi)外壁溫差-10，即橋墩外壁+10，內(nèi)壁0。由于是對(duì)稱模型，在進(jìn)行結(jié)果對(duì)比時(shí)只對(duì)比左側(cè)和下側(cè)墩壁即可，模型a、b在溫度荷載作

8、用下的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5(a)、(b)所示。由圖5可知：在相同的溫差荷載作用下，模型a的主拉應(yīng)力要比模型b稍大一些，而主壓應(yīng)力基本相同，也就是說，在外觀尺寸相同的條件下，壁厚越大，內(nèi)部的溫度主拉應(yīng)力越小。其原因是：在溫差作用下，墩壁之間的纖維由于溫度不同伸縮量也不同，這就導(dǎo)致纖維之間的相互作用，顯然地，壁厚越大，這種相互作用就會(huì)越弱，那么自應(yīng)力也(a) 主拉應(yīng)力(b) 主壓應(yīng)力圖5 模型a、b應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析就越小，極限地講，實(shí)心墩是同尺寸下溫度應(yīng)力最小的截面形式。通過以上分析可知：在外部尺寸一定的情況下，可通過適當(dāng)增加壁厚來抵抗溫度應(yīng)力。4結(jié)語1、本文首先以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，

9、使用midas fea建立了某大橋薄壁空心墩的三維實(shí)體有限元模型；2、其次，選擇了在溫度荷載作用下，應(yīng)力大小具有代表性的部位，計(jì)算在溫度荷載作用下的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力，對(duì)溫度荷載作用下薄壁空心墩的應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析；3、建立了外部尺寸相同而壁厚不通過的兩個(gè)空心墩模型，并計(jì)算兩個(gè)模型內(nèi)壁、外壁在相同的溫度荷載作用下產(chǎn)生的主拉應(yīng)力與主壓應(yīng)力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：模型a、b在溫度荷載作用下的主壓應(yīng)力基本相同，而壁厚較大的模型b，各部位的主拉應(yīng)力均明顯小于前者，故在薄壁空心墩外部尺寸確定的情況下，適當(dāng)增加壁厚可提高結(jié)構(gòu)的防裂性能。參考文獻(xiàn)1劉興法. 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的溫差荷載與應(yīng)力檢算j. 鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1986, (6):1-9.2彭友松, 強(qiáng)士中, 李松. 圓形空心墩日照溫度效應(yīng)分析 j .橋梁建設(shè), 2006( 4) : 74- 67.3方