单边日照对薄壁高墩偏位的有限元分析

夏文敏

（海南省公路勘察设计院，海南　海口 570206）

单边日照对薄壁高墩偏位的有限元分析

夏文敏

（海南省公路勘察设计院，海南海口 570206）

结合工程实例，运用有限元软件M IDAS/CIVIL，建立Beam单元和Thi ck pl at e单元空间有限元模型，考虑在单边日照下，对薄壁高墩的施工偏位进行有限元分析，结果表明：在单边日照下，对最大悬臂施工阶段高墩的稳定性影响不容忽视。

刚构桥；高墩；稳定性；日照；有限元

1　工程实例

本文以某特大桥为实例，拟建特大桥是一座四肢薄壁高墩连续刚构桥，位于厦成高速公路跨山谷路段。该桥主桥尺寸见图1，其中12号墩为最高墩，墩高179.3 m，由于该特大桥具有墩高、薄壁等特点，在日照温度效应影响下，其在最大悬臂施工阶段的稳定性问题尤其突出。

图1　桥梁立面图（单位：cm）

2　分析模型的建立

本文采用公路桥梁分析软件M i das/Ci vi l，分别采用Beam单元和Thi ck pl at e单元模拟12号高墩在最大悬臂施工阶段的三维空间模型，见图2。

图2　两种MIDAS/CIVIL三维空间模型（12号）

3　日照温度荷载的规定

我国公路桥涵设计通用规范（JTGD62-2004），根据桥面板和其他部分的温度差计算断面内的应力时，温差以5℃为标准，温度分布在桥面和其他部分内分别认为是均匀的［1］。当计算桥梁上部结构由梯度温度引起的效应时，关于温度荷载的规定见图3。

图3　温度荷载的规定

4　薄壁高墩温度效应分析

在太阳辐射作用下，薄壁高墩受外界温度效应影响显著，加上日照时间长、温差大，所产生的温差荷载对薄壁高墩的偏位影响不可忽视。而且考虑高墩在太阳辐射影响下的变形是为考虑非线性因素对高墩的稳定性影响提供数据准备。

4.1薄壁高墩温度荷载及有限单元选取［2-4］

M i das/Ci vi l是基于对预应力箱梁、悬索桥、斜拉桥、水化热分析等土木建筑的分析中所需要的各种功能进行综合考虑而开发的土木结构分析系统。本文采用温度梯度的加载方法模拟温度荷载，对模型进行温度荷载计算。结合该桥所处地理位置，考虑单边日照，确定变截面箱形空心墩和箱梁沿纵桥向的位移。

在温度效益分析时，依据规范日照温差是线性分布的，选取Beam单元和Thi ck pl at e单元模型能很好的模拟薄壁高墩单边日照温差效应分析。

4.2单边日照温度效应分析

通过计算分析，得到在最大悬臂施工状态下，薄壁高墩由太阳辐射温差荷载作用而产生的位移及其应力效果图见图4、图5。其中模型的最大位移、最大应力值见表1。

图4　施工阶段179.3 m高墩单边日照所引起的位移云图（左为梁模型，右为板模型）

图5　施工阶段179.3 m高墩单边日照所引起的应力云图（左为梁模型，右为板模型）

表1　单边日照产生的最大位移及应力值

通过对施工阶段179.3 m高墩单边日照作用下的温度效应分析可知，梁模型：墩顶最大纵向位移为0.025 cm，板模型：墩顶最大纵向位移为0.023 cm，相差为8.70%（相对板模型）。梁模型：主梁悬臂端的最大纵移为0.029 cm，板模型：主梁悬臂端的最大纵移为0.027 cm，相差为7.41%（相对板模型）。两者分析结果较为接近。

从表1数据表明，考虑单边日照的温度效应，高墩墩顶纵向位移较为明显，可作为高墩几何非线性分析的前期缺陷，对薄壁高墩稳定性的影响不容忽视。

4　结论

（1）对四肢薄壁高墩采用梁单元和厚板单元进行模拟，考虑单边日照下，高墩的纵向位移结果较为接近，分析结果可靠。

（2）考虑单边日照下，高墩墩顶纵向位移较为明显，可作为高墩几何非线性分析的前期缺陷，对薄壁高墩稳定性的影响不容忽视。

［1］JTGD62-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］凯尔别克.太阳辐射对桥梁结构的影响［M］.北京:中国铁道出版社，1981.

［3］马保林.高墩大跨连续刚构桥［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］李国豪.桥梁结构稳定与振动［M］.北京:中国铁道出版社，1996.

图4　防抛网立面图（单位：cm）

4　结　语

跨越铁路桥梁的设计，要充分施工及运营期间考虑对铁路的安全影响，与铁路充分沟通，重视铁路的要求，选择适合本桥位的桥型，周密安排每项施工过程，才能保证跨越铁路桥梁的顺利实施。

参考文献：

［1］刘东.跨越既有高速铁路桥梁施工方案及防护设计研究［J］.桥梁建设，2010（6）:70-72.

［2］JTG D60—2015，公路桥涵设计通用规范［S］.

U443.22

B

1009-7716（2016）09-0145-02

2016-05-09

夏文敏（1985-），男，海南万宁人，工程师，从事路桥勘察设计工作。