钢箱-混凝土组合梁的温度变形分析

张 菂

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

新型钢箱-混凝土组合结构具有自重轻、承载力高、建筑高度小等优点,其横向稳定性和抗扭性能都比较好,故钢箱-混凝土组合结构用于高速铁路具有一定的优越性。高速铁路对桥梁的刚度要求非常严格,而箱梁结构受温度变化的影响很大。国内外针对预应力混凝土箱型梁的温度变形已经开展了很多研究工作,并先后将温度荷载纳入各国的桥梁设计规范中。为了确保钢箱-混凝土组合梁能满足刚度设计要求,也应当对其进行温度变形分析。本文运用大型通用有限元软件A N S Y S对某拟建的钢箱-混凝土组合试验梁进行了温度变形分析。

1 箱形梁的温度荷载

图1(a)为沿梁高、梁宽双向温差分布,图 1(b)为沿梁高单向温差分布。与上午 10时箱梁顶板、腹板同时受日照及下午 14时箱梁顶板受日照时的温度荷载分布相对应。

图1 箱梁的两种温度分布图式

钢箱-混凝土组合梁由于顶板和腹板、底板材料不一样,同一截面上的温度变形不一致,其温度分布比较复杂,要分析每一瞬间的温度应力在工程上是不可行的。只能从各种复杂的温度分布模式中,选取某几种对钢箱-混凝土组合梁产生最不利影响的温度分布进行分析。

2 钢箱-混凝土组合试验梁计算模型

本文选用的钢箱-混凝土组合试验梁为单跨简支梁,其截面形状和尺寸见图 2。

钢箱-混凝土组合试验梁的梁体高 2.2 m,混凝土板厚24.6c m,钢箱梁上盖板厚 1.4cm,翼缘悬臂 16cm,腹板厚1.4cm,底板厚 1.6cm,在支座附近箱底加宽且局部加强。在钢箱梁内设置纵向加劲肋及横隔板,横隔板自跨中截面向两侧每 1m设置一个,板厚 12mm,人孔尺寸宽 60cm、长100cm。

图2 钢箱-混凝土组合梁截面形状(单位:m m)

3 温度荷载分布模式

对钢箱-混凝土组合梁在不均匀温度分布情况下的变形,主要考虑以下几种工况:

(1)工况 1,温度横向分布,梁两侧温差 15℃,温度沿梁宽呈线性变化;

(2)工况 2,温度沿梁高呈线性变化,底板温度高于顶板温度,温差 15℃;

(3)工况 3,参照德国规范,顶板温度高于底板温度,温差 25℃,温度沿梁高呈线性变化;

(4)工况 4,参照中国规范,顶板温度高于底板温度,温差 25℃,温度呈指数变化,即 Tz=T0e-5z,Z的单位为 m,T0为 25℃;

(5)工况 5,参照 B S 5400的折线形温度分布。

温度计算模式如图 3所示,图中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别对应于工况 1、2、3、4、5。

图3 钢箱-混凝土组合梁温度变形计算模式

4 钢箱-混凝土组合试验梁的温度变形分析

4.1 计算参数

钢箱-混凝土组合梁中钢材采用 16 Mn q钢,其弹性模量为 Es=2.1×105MPa,泊松比 ν=0.3,容重为 γ=78.5 k N/m3。混凝土按 C 60考虑,其弹性模量为Ec=3.65×104MPa,泊松比 υ=0.2,容重 γ=25 k N/m3,热膨胀系数 α=1.25×10-5。

梁全长l=24.768 m,计算跨度 l0=24.068 m,横向支座间距 l1=2.2m。

4.2 有限元空间分析模型的建立

钢箱-混凝土组合试验梁的箱体部分、横隔板、纵向加劲肋及支座加强板均采用壳单元,混凝土板采用实体单元。网格划分如图 4所示,共计节点 6 970个,单元 5 208个,其中,壳单元 4 128个,实体单元 1 080个。

模型采用的坐标系为:桥轴向为 Z方向,横桥向为 X方向,竖桥向为 Y方向。

图4 钢箱-混凝土组合梁有限元空间模型

分析时将温度荷载施加在单元节点上,钢箱-混凝土组合试验梁在 5个温度荷载工况下的变形见图 5。

钢箱混凝土板组合试验梁在 5种工况温度荷载作用下的变形结果列入表1。

4.3 温度变形计算结果分析

4.3.1 德国高速铁路桥梁的温度变形控制条件

(1)单跨简支轨道梁的上下梁板间竖向温差变形要求不超过以下的限值:

图5 不同温度荷载工况下的变形

①当梁顶面温度高于梁底面温度时, 应满足

fymax

②当梁顶面温度低于梁底面温度时,应满足

fymax

(2)单跨简支轨道梁的左右梁板间横向温差变形要求不超过以下的限值:

fxmax

4.3.2 高速铁路桥梁的挠度控制值

(1)多跨简支梁竖向挠度控制值为:

fymax≤l/1800=24068/1800=13.37mm

(2)单跨简支梁横向挠度控制值如下:

fxmax≤l/4000=24068/4000=6.02 mm

其中,l为线路梁的跨度。

将 5种工况的荷载变形及限值要求汇总于表2中。我国高速暂行规定挠度控制值简称为中国限值,德国规范温度变形控制值简称为德国限值。

由表2可知,该钢箱-混凝土组合试验梁在多种温度荷载作用下的竖向和横向挠度均能满足我国高速铁路暂行规定要求,而对于德国规范的规定,仅在工况 5按英国B S 5400温度分布模式计算时才能满足控制条件。

5 结 论

根据以上分析可以看出,钢箱-混凝土组合梁的温度变形值较大,接近于我国高速铁路暂行规定的桥梁刚度的控制值。温度变形是不可避免的,这样势必在正常运营时产生更大的挠度,甚至发生梁的破坏。对此,在设计时应当考虑温度变形影响,或对结构采取隔热措施处理。此外,不同的温度分布模式对结构变形也有很大影响。由于目前国内外大多数竖向温度分布模式均为基于试验基础得出的非线性分布形式,侧重于其引起的温度次应力,当梁的变形成为设计控制值(如磁悬浮轨道梁对挠度的要求很高),则应考虑建立反映实际温度变形效应的温度模式,开展相应的温度分布测试。

[1]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京:人民交通出版社,1991

[2]中华人民共和国铁道部.京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定[S]

[3]T B 10002-2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]

[4]T B 10022-2005铁路桥涵钢结构设计规范[S]

[5]英国标准学会.英国标准 B S 5400.钢桥混凝土桥及结合桥(上册)[S]

[6]英国标准学会.英国标准 B S 5400.钢桥混凝土桥及结合桥(下册)[S]

[7]王林.各国规范关于混凝土箱梁桥温度应力计算的分析与比较[J].公路,2004(6)