矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋溫度效應(yīng)分析

鄭建東

(廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361015)

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矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋溫度效應(yīng)分析

鄭建東

(廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361015)

文章以某實(shí)際工程為例，使用大型有限元程序Midas/Civil建立全橋模型，計(jì)算分析不同截面類型下部結(jié)構(gòu)的連續(xù)剛構(gòu)橋在溫度荷載作用下的主梁內(nèi)力與位移變化情況，并確定出合理的下部結(jié)構(gòu)類型，為同類橋型設(shè)計(jì)提供參考。

連續(xù)剛構(gòu)橋；矮墩；溫度效應(yīng)；下部結(jié)構(gòu)

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋是橋墩與主梁固結(jié)的連續(xù)梁橋，上、下部結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載，可減少墩頂負(fù)彎矩。墩剛度較柔，允許出現(xiàn)較大變位，并且具有投資較少，施工方便，不需要大型支座，行車平穩(wěn)，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。在深谷大流地區(qū)，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋具有很大優(yōu)勢(shì)。由于連續(xù)剛構(gòu)橋是多次超靜定結(jié)構(gòu)，混凝土收縮、徐變、溫度變化、預(yù)應(yīng)力作用、墩臺(tái)不均勻沉降等引起的附加內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大。本文結(jié)合某工程實(shí)例，考慮溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

1 溫度效應(yīng)分析

混凝土是由水泥、沙、石組成的一種混合材料。在國(guó)內(nèi)外的混凝土橋梁中，溫度應(yīng)力是結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的重要因素。調(diào)查資料表明，混凝土結(jié)構(gòu)中只有20%的裂縫是由于外荷載產(chǎn)生，而80%的裂縫卻是由溫度、收縮等變形變化所引起的。當(dāng)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)溫度變化產(chǎn)生形變而受到約束時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。超靜定結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)橋產(chǎn)生的溫度應(yīng)力甚至可能會(huì)超過(guò)活載應(yīng)力，成為裂縫產(chǎn)生的主要原因。日照、驟然降溫以及年溫度變化三種溫度荷載是連續(xù)剛構(gòu)橋中產(chǎn)生溫度效應(yīng)的主要原因。

連續(xù)剛構(gòu)橋在設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)類型及尺寸的選取至關(guān)重要，尤其橋墩截面形式對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響顯著。因此，本文以某矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，選取不同類型的下部結(jié)構(gòu)，計(jì)算在溫度荷載作用下的主梁內(nèi)力。

2 工程概況

南平市南平新大橋采用(60+95+57)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，全長(zhǎng)212.0 m。橋墩處主梁截面為單箱雙室截面，截面高5.7 m，跨中處截面高2.5 m，截面高度按1.8次拋物線變化。箱梁全寬為17.5 m。橋墩高24 m，采用雙薄壁墩。

3 Midas計(jì)算

使用大型有限元程序Midas/Civil建立全橋模型。在建模過(guò)程中，下部結(jié)構(gòu)采用箱形空心墩、雙薄壁實(shí)心墩進(jìn)行比較。箱型墩模型節(jié)點(diǎn)數(shù)115，單元數(shù)104，雙薄壁模型節(jié)點(diǎn)數(shù)142，單元數(shù)127，在連續(xù)剛構(gòu)橋主梁上施加相同的溫度荷載，即主梁升溫20 ℃和溫度梯度荷載，溫度基數(shù)值T1為14 ℃，T2為5.5 ℃。通過(guò)Midas軟件計(jì)算在上述溫度荷載下主梁應(yīng)力與位移。箱形空心墩模型圖見(jiàn)圖1，雙薄壁墩?qǐng)D見(jiàn)圖2。升溫20 ℃計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。溫度梯度荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 箱形空心墩模型圖

圖2 雙薄壁墩?qǐng)D

項(xiàng)目箱型墩雙薄壁墩主梁上緣最大拉應(yīng)力0.340.11主梁上緣最大壓應(yīng)力0.730.23主梁下緣最大拉應(yīng)力0.940.29主梁下緣最大壓應(yīng)力1.160.36主梁跨中位移21.93.89

表2 溫度梯度荷載計(jì)算結(jié)果表

注：表中應(yīng)力單位為MPa，位移單位為mm

從計(jì)算結(jié)果可知，在主梁升溫荷載下，雙薄壁墩主梁無(wú)論是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力均比箱型墩主梁應(yīng)力小，而且跨中處豎向位移也比箱型墩小很多。在溫度梯度荷載下，兩者計(jì)算結(jié)果較為接近，雙薄壁墩主梁下緣壓應(yīng)力比箱型墩主梁稍大，下?lián)衔灰拼罅艘槐?，但其值并不是很大。?duì)墩本身而言，雙薄壁墩縱向抗推剛度相比箱型墩小很多，可以更好地釋放主梁縱向變形，減小對(duì)主梁的約束作用。在相同的溫度荷載下，主梁的內(nèi)力更小。對(duì)于高度<50 m的矮墩，雙薄壁墩的優(yōu)勢(shì)非常明顯。在溫度荷載作用下，雙薄壁墩的主梁應(yīng)力比箱型墩主梁應(yīng)力小。箱型墩模型中如果溫度荷載再與其他類型的荷載進(jìn)行組合之后主梁應(yīng)力將非常大，這樣主梁需要配置更多的鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋，是十分不經(jīng)濟(jì)的，甚至不能滿足規(guī)范要求。對(duì)于墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)橋，雖然造價(jià)低，施工方便，但是，橋墩與主梁直接固結(jié)而不設(shè)置支座會(huì)使得橋墩與主梁連接處不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，溫度作用下產(chǎn)生的位移不能像普通梁橋那樣通過(guò)支座得到有效釋放，而會(huì)在主梁產(chǎn)生較大內(nèi)力。因此，對(duì)于橋墩高度在50 m以下的矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋，橋墩線剛度較大，如果再選取抗推剛度較大的箱形空心墩，在溫度荷載下，主梁內(nèi)力會(huì)很大。同時(shí)，跨中的豎向位移也會(huì)很大，在橋梁使用階段行車也不夠舒適。而雙薄壁墩抗推剛度小，橋墩與主梁固結(jié)處會(huì)產(chǎn)生稍大的水平位移卻能夠釋放掉較大的跨中豎向位移，而且主梁的內(nèi)力也較小。此外，雙薄壁墩的橫向迎風(fēng)面積較小、風(fēng)載體形系數(shù)小。所以，無(wú)論是對(duì)于施工階段還是成橋后對(duì)抵抗橫向風(fēng)都是有利的。雙薄壁墩能夠提供適當(dāng)?shù)目箯潉偠龋軌虻挚故┕るA段的一部分不平衡荷載。

4 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)剛構(gòu)橋因其造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)便、行車舒適而被我國(guó)廣泛建造，本文分析了在溫度作用下矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋不同下部結(jié)構(gòu)主梁的內(nèi)力、位移。通過(guò)計(jì)算可知，雙薄壁墩更適合作為矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩。

[1]歐陽(yáng)青，王 艷，王艷華.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩形式研究[J].中外公路，2008，28(1)：153-155.

[2]張 琦，邢積坡.連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工與溫度應(yīng)力分析[J].福建建材，2012(12)：9-11.

[3]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4]賀小春.矮墩剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱型梁橋的溫度效應(yīng)研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2013.

[5]宋勝錄.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋溫度效應(yīng)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.

Temperature Effect Analysis of Dwarf Pier Continuous Rigid Frame Bridge

ZHENG Jian-dong

(Xiamen Municipal Engineering Design Institute Co.，Ltd.，，Xiamen，F(xiàn)ujian，361015)

With a practical project as the example，this article established the full bridge model by using the finite element program Midas/Civil，calculated and analyzed the main-beam internal force and displacement changing situation of continuous rigid frame bridge with the substructure of different cross-section types under temperature load，and determined the reasonable substructure types，thereby providing the reference for the design of similar bridges.

Continuous rigid frame bridge；Dwarf pier；Temperature effect；Substructure

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.014

1673-4874(2016)10-0051-02

2016-09-05

鄭建東(1978—)，工程師，研究方向：橋梁隧道設(shè)計(jì)。