大砂坪特大桥超宽薄壁空心桥墩温度效应分析

王斌

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000)

大砂坪特大桥超宽薄壁空心桥墩温度效应分析

王斌

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000)

兰渝铁路兰州枢纽大砂坪特大桥为四线桥梁，桥墩采用圆端形空心墩，属超宽薄壁结构。本文以此桥为研究对象，首先简要介绍了超宽空心墩计算温度应力时所需的温度分布场相关参数，然后通过有限元软件ANSYS建立数值模型进行了温度效应理论分析，结果显示由温差引起的空心墩环向和竖向应力值较大，需要合理设置墩身钢筋来解决混凝土开裂问题，最后根据计算结果对墩身进行了配筋设计。

超宽薄壁空心墩 温度场 温度效应 ANSYS

随着铁路建设的发展，受力性能好、纵横向刚度大、又能节省圬工的空心墩越来越多地应用于工程实践，除了在高度上不断突破之外，多线空心墩的应用也屡见不鲜。多线铁路空心墩的特点为纵横向宽度的比值很大，壁厚与横桥向宽度的比值远小于1/10，属于超宽薄壁结构。空心桥墩属于空间板壳结构，有其一定的特殊性，如高墩的稳定性较差、施工难度较大、施工周期较长，同时由于受外界环境的影响，结构外部和内部温度也在不停的变化中，由于混凝土的导热性能差，其周围环境气温及日照辐射作用使表面温度迅速上升而内部变化较为迟缓，在混凝土结构中形成较大的温度梯度，由此产生的温度变形在受到约束时会产生较大的温差应力，这种温差应力可能会大于活载及恒载产生的应力，不仅影响正常运营，而且威胁到结构的安全性和耐久性。

近些年随着对混凝土结构温度应力的重视，常规空心桥墩结构在设计计算中采用经验温度数据进行近似计算，主要从构造上加以改善，如通过增设通风孔，增设护面钢筋等措施来减少温度应力产生的结构裂缝。然而，对这类多线超宽空心墩温度应力问题的研究，在国内外的研究较少，为保证桥梁结构的安全，开展多线超宽空心墩温度效应的研究十分必要。

1 工程概况

兰渝铁路兰州枢纽大砂坪特大桥位于兰州市城关区大砂坪，为站场内四线铁路桥梁，桥面总宽28.2 m，桥上道岔密布，孔跨布置极为复杂，桥高45 m，全长1 324.49 m。设计活载为中—活载，铁路等级为Ⅰ级，设计客车行车速度120 km/h。本文选取其中的12#桥墩进行研究，其墩高40 m，上下实体段高度分别为1.5，2.5 m，墩顶横向宽度20.1 m、纵向宽度4.4 m、壁厚0.5 m，横纵向宽度比值b/a=4.56，壁厚与横向宽度比值t/b=1/40.2＜1/10，属于典型的超宽薄壁结构和空间板壳结构，桥墩构造图如图1所示。

2 超宽空心墩温度场分布规律及参数

研究温度效应的关键是确定合理的温度场分布，温度场分布异常复杂，不仅与气候、地形、结构材料本身的热工性质等密切相关，而且这些因素又各自受多种因素的影响，且温度场随时间在不断变化，因此确定起来有相当的难度。

通过为期一年的现场温度观测和现场试验数据的采集，分析寒潮降温、横桥向日照升温、顺桥向日照升温、斜桥向日照升温4种工况下温度场，并参照文献［1-2］，最终得出超宽空心桥墩温度场分布规律:空心墩表面温度的分布近似为一余弦曲线，其中太阳辐射温差沿周边呈圆心角余弦函数变化，气温温差沿四周对称均匀分布。限于篇幅，本文只给出斜桥向日照工况时的分布规律，如图2所示。日照温差作用下温差沿壁厚方向呈指数函数分布(图3)，其中温度系数β在寒潮降温时为7.25;日照升温时为4.5。

3 超宽空心墩温度应力与位移计算分析［3 -8 ］

利用通用有限元软件ANSYS根据实际桥墩构造尺寸建立有限元分析模型，首先仿真出各工况下的结构温度场分布，然后根据热—力耦合原则，进行结构场结构应力和位移求解。为了全面分析超宽空心墩温度效应对其受力性能的影响，设计了寒潮降温+外荷载组合、横桥向日照升温+外荷载组合、顺桥向日照升温+外荷载组合和斜桥向日照升温+外荷载组合4种温度荷载工况，首先分析了这4种工况下的应力和位移。然后利用ANSYS积分功能计算出内力，最后根据内力计算结果，提出了解决温度应力的钢筋配置方案。限于篇幅，仅示出顺桥向日照升温+外荷载组合工况下的墩身应力云图，如图4所示。

图1 四线超宽圆端形薄壁空心墩构造(单位:m)

图2 薄壁空心墩斜桥向日照示意

图3 温差沿壁厚方向的变化

3.1 寒潮降温与外荷载组合工况墩身应力分析

外荷载组合分为主力+制动力+纵向风力、主力+横向风力两种情况。对超宽空心墩分别进行了寒潮降温+主力+制动力+纵向风力、寒潮降温+主力+横向风力两种情况下的墩身应力计算分析。结果见表1。

由表1可知:

1)寒潮降温作用会使墩身外壁受拉而内壁受压，而外荷载作用下主要产生墩身竖向压应力，环向应力较小，由于寒潮降温作用产生的竖向拉应力比外荷载产生的竖向压应力大，因此在两者叠加作用下墩身外壁仍然出现了3.62 MPa的竖向拉应力，已经大于C35混凝土的极限抗拉强度2.50 MPa，因此需要配置外壁竖向抗拉钢筋，以防止外壁混凝土发生横向裂缝。

图4 顺桥向日照升温+外荷载组合工况下的墩身应力云图

表1 寒潮降温与外荷载组合作用下的墩身应力计算结果

2)由于外荷载产生的环向应力较小，因此与寒潮降温叠加作用后墩身环向应力仍主要由寒潮降温作用贡献，外壁环向最大拉应力达到5.23 MPa，远超C35混凝土的极限抗拉强度2.50 MPa，因此需要配置外壁环向抗拉钢筋，以防止外壁混凝土发生竖向裂缝。

3.2 日照升温与外荷载组合作用下墩身应力分析

日照升温作用使薄壁空心墩外壁受压，内壁受拉，为全面比较，分别在横桥向日照升温+外荷载组合、顺桥向日照升温+外荷载组合、斜桥向日照升温+外荷载组合3种工况下对超宽空心墩墩身应力进行计算分析，3种工况的外荷载组合均采用主力+制动力。计算分析中发现，日照升温+外荷载组合作用下，因日照方位的不同，墩身产生最不利应力的位置也不同，最大压应力一般出现在正向日照面。计算结果见表2。

表2 日照升温+外荷载组合作用下墩身应力计算结果

由表2可知:

1)日照升温作用会使墩身外壁受压而内壁受拉，在外荷载作用下主要产生墩身竖向压应力，环向应力较小，两者叠加作用后墩身仍以受压为主，且由外壁最大压应力控制。按照文献［9-10］规定，C35混凝土在弯曲受压及偏心受压状态主力作用下允许应力值为11.8 MPa，主力+附加力共同作用下允许应力提高30%后为15.34 MPa。日照升温+外荷载组合工况下墩身竖向压应力最大为10.93 MPa，小于允许应力值15.34 MPa，富余值为40%，说明墩身的竖向强度是有足够安全保障的。

2)由于外荷载产生的环向应力较小，因此与日照升温作用叠加后墩身环向应力仍主要由日照升温作用贡献，内壁环向最大拉应力达到3.02 MPa，超过C35混凝土的极限抗拉强度2.50 MPa，因此需要配置内壁环向抗拉钢筋，以防止内壁混凝土产生竖向裂缝。

3.3 各荷载组合下位移分析

由表1、表2可知，各种温度荷载与外荷载组合作用下竖向位移最大为13.84 mm，横桥向位移最大只有0.94 mm，影响较小，说明超宽空心墩的横向刚度是足够的。但在顺桥向日照作用下引起的纵向位移最大为12.47 mm，其值较大。如果再考虑地基及基础引起的位移，则墩顶的纵向位移有可能超限，因此在进行整体桥墩设计时应检查温度荷载与外荷载及基础变形共同作用下产生的墩顶位移是否仍满足规范要求。

4 墩身温度应力配筋计算及方案

1)由于外荷载和自身重力对竖向温度拉应力有减小作用，竖向轴力大时，相对偏心弯矩较小，因此竖向配筋量较小，设计时一般不控制，只要最小的构造配筋率就可满足要求。墩身中部竖向内壁采用φ12@ 20 cm的HRB335配筋方式就可以满足要求，受固端干扰应力的影响，墩身上部2 m范围内需要加密至φ12@10 cm。

2)外荷载产生的环向应力较小，环向应力主要由寒潮降温作用或日照升温作用贡献，墩壁环向表现为大偏心受压或受拉状态，环向配筋应控制。寒潮降温+外荷载组合下，墩身外壁环向配筋由裂缝控制，至少应该采用φ16@10 cm的配筋方式;受固端干扰应力的影响，墩身上部和下部各4 m范围需要加密至φ20@ 10 cm。日照升温+外荷载组合作用下，墩身内壁环向配筋也由裂缝控制，至少应采用φ18@10 cm的配筋方式;受固端干扰应力的影响，墩身上部和下部一定范围内配筋可适当减少。

5 结论与建议

1)由于空心墩环向温度应力变化幅度较大，设计时宜根据计算结果配置内外壁足够的竖向及环向温度钢筋，以控制温度裂缝的产生。依据温度效应的钢筋配置方案，原则上竖向钢筋不宜低于φ16@15 cm，环向钢筋不宜低于φ16@10 cm。

2)为减少温度荷载，经济条件允许时，宜将空心墩壁厚增至0.7～1.0 m，空心墩内外壁设置内陡外缓不一样的坡率，以适当增加壁厚。

3)墩身竖向主要由外壁最大压应力控制，由于温度荷载引起的竖向应力较大，因此为使墩身混凝土允许应力不超限，并留有足够安全保障，设计时在恒载+活载及其它外荷载作用下的墩身混凝土压应力宜控制在6 MPa以内。

4)内外壁温差主要决定于内外壁空气温度交换的效率和沿壁厚温度交换的效率，这就需要改进通风孔或采取其他措施缩小温差。从通风孔的设置角度，建议尽可能增大通风孔直径和数量或采取优化通风孔方位的方法减少空心墩温差效应;从减少外壁温度的角度考虑，建议采取涂抹保温隔热涂层的方法来减少空心墩温差效应。

［1］铁道部第四勘测设计院.铁路工程设计技术手册:桥梁墩台［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［2］铁道部第三勘测设计院.铁路工程设计技术手册:桥梁设计通用资料［Z］.北京:中国铁道出版社，1994.

［3］张运波.薄壁空心高墩的温度效应及其对稳定性影响的研究［D］.北京:中国铁道科学研究院，2010.

［4］彭友松.混凝土桥梁结构日照温度效应理论及应用研究［D］.成都:西南交通大学，2007.

［5］张亮亮.高速铁路空心高墩日照温度场研究［J］.山东交通学院学报，2013(1):42-46.

［6］蒋国富.大跨径桥梁高墩日照温度效应的研究［D］.西安:长安大学，2005.

［7］赵亮.铁路桥墩温度效应有限元分析［D］.重庆:重庆大学，2007.

［8］武立群.混凝土箱梁和空心高墩温度场及温度效应研究［D］.重庆:重庆大学，2012.

［9］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［10］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

(责任审编葛全红)

U443.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.10

1003-1995(2015)06-0034-04

2014-12-10;

2015-02-20

王斌(1981—)，男，甘肃秦安人，工程师。