辅助墩在温度荷载下对独塔斜拉桥的影响

陈伟,赵青,汪钰

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥,230601)

独塔斜拉桥是一种跨越能力强大的桥梁,并且造型优雅、适应能力强大[1],常常被用在场地不平整和桥下情况复杂的地区。混凝土桥梁在自然环境中,每天都会受到太阳光的照射,引起桥梁整体内外温差的变化,而且混凝土箱梁的导热能力较差[2],会因为温度应力而导致混凝土桥梁的破坏。温度应力下桥梁会因为热胀冷缩的效应而发生变形,且独塔斜拉桥是大跨度的桥梁,所以研究主梁下方设置辅助墩来减小温度引起的变形和桥梁自身大跨度的挠度问题尤为重要。文献[3-5]研究了辅助墩的设立对于桥梁力学性能的影响,包括单个辅助墩和多个辅助墩之间的最佳选择;文献[6]研究了斜拉桥各个构件在不同季节下的温度作用影响;文献[7-8]研究了独塔斜拉桥在施工和成桥阶段的各种敏感参数对于桥梁的影响;文献[9]研究了独塔斜拉桥施工阶段0号块的应力分析;文献[10]研究了辅助墩的设立对于桥梁在不同温差作用下对挠度的控制。

本文以温热地区的独塔斜拉桥作为研究对象,采用有限元软件Midas/Civil来进行桥梁温度荷载下的位移和弯矩比较,分析辅助墩的设置对于桥梁的整体挠度有无有利影响。

1 计算简图介绍

本文采用位于温热地区的独塔斜拉桥作为计算模型,全桥长364 m,在桥梁正中间向下设置一个25 m主桥墩,向上设置一个高度为48的桥塔,斜拉桥采用的是左右对称的设计思路每边设置9对拉索,拉索锚固区域位于桥梁的中央,桥面的宽度为25 m,整体桥梁的截面形式为箱型截面,两端最外侧拉索到边支座各有14的无索区,从最外侧拉索到中心支座处的截面是按照变截面的处理方法,桥体梁高从3 m变为5.m,具体构件截面简图尺寸见图1。独塔斜拉桥的整体采用混凝土进行浇筑,主梁和桥塔采用C50,桥墩采用C40;辅助墩高度与主桥墩一致为25 m,尺寸为5 m×14 m;整体桥梁具体长度为(14+168+168+14)m的布置,不考虑桩—土效应,桥梁整体的各部件特性值见表1,整体简图见图2。

图1 桥梁横截面尺寸简图/m

表1 特性值

图2 斜拉桥简图/m

2 有限元模型

利用Midas/Civil软件建立独塔斜拉桥的全桥动力模型,本模型包含146个节点和126个单元,在软件中桥塔和箱型截面梁建模用梁单元,两端桥台在软件中释放X方向移动和Y方向的转动,其余方向全部约束;主桥墩和梁体两者刚性连接,桥体和拉索两者刚性连接,主梁和桥塔两者连接方式也是刚性的,各个桥墩底部按固结方法和大地相连后续添加的辅助墩和梁体两者连接刚性,辅助墩距桥塔126 m,简图见图3。

图3 全桥有限元模型

3 温度荷载作用下斜拉桥的力学性能

桥梁在自然环境中会受到各种各样的气候影响[11],而混凝土构件受到周围气候变化的影响,会产生内外的温度差,这些温度在构件的表面会急速变化,这种变化可能是上升或下降,而混凝土构件的散热性能又较差,容易发生热胀冷缩的现象,就导致桥梁的开裂和破坏。本节选取构件在整体升温和梯度升温的情况下,对设置辅助墩和无辅助墩进行比较,为保证研究的可靠性,保持独塔斜拉桥的整体不变,只在两边的主梁下部添加辅助墩来进行研究。定义的工况如表2所示。

表2 工况表

3.1 整体升温的影响

《公路桥涵设计通用规范》[12]JTG D60-2015规定,桥梁整体在太阳的照射下,表面和内部都会发生变化,故桥梁的变形应从最开始考虑,还要包括最低和最高有效温度的影响作用,具体取值按表3。

表3 公路桥梁的有效温度标准值 /℃

本节的桥梁在温热地区,对桥梁整体进行升温25℃的操作,观察整体桥梁模型在整体升温之后,辅助墩的设立对于桥梁整体的位移和弯矩有无影响,为保证结果具有可比性,独塔斜拉桥的整体结构不变,只在斜拉桥两侧添加辅助墩,具体结果见图4和图5。

图4 整体升温竖向位移图

图5 整体升温主梁弯矩图

由图4可知,在整体升温25℃不设置辅助墩的情况下,独塔斜拉桥的最大竖向位移出现在距离桥塔122.5 m的位置,且对称分布,最大位移向下达到了33 mm,并且在桥塔和主梁刚接的部位也出现了向上的6 mm位移;在整体升温25℃设置辅助墩的情况下,斜拉桥的最大位移出现在距离桥塔94.5 m的位置,且对称分布,最大位移向上达到了21 mm,并且在设置辅助墩之后桥梁的位移由原来的向下发生最大位移转化为向上发生。说明辅助墩的添加可以明显的表现在整体升温下桥梁的主梁竖向位移变小,使桥梁刚度提升,而且辅助墩的添加使得位移相比于不添加时减小了36.4%。

由图5可知,在整体升温25℃不设置辅助墩的情况下,桥梁正中央产生的最大负弯矩达到了-86 320 kN·m,两边斜拉索部分的主梁最大弯矩分别达到了27 322.08 kN·m和26 400.01 kN·m,且呈对称分布;在设置辅助墩的情况下,减小了桥梁在桥塔与主梁刚接部位的弯矩,约为无辅助墩的50%。但因为辅助墩和主梁是刚接的,所以在刚接部位发生了较大的弯矩突变,且辅助墩的位置处存在着较大的弯矩。

3.2 梯度升温的影响

该桥梁整体采用混凝土施工建成,可以按照表4所示的结果进行选择类型,并按选好的结构类型进行梯度温度的加载。由规范可以得知,在后续计算桥梁因为从外部到内部的温度差值引起的内外温差,可以按图6的竖向梯度温度图来进行调整,以保证桥梁在考虑到梯度温度作用时的准确性。其中如果H＜400 mm时,A可以取值为H-100 mm;如果H≥400 mm时,A可以取值为300 mm。

表4 竖向日照正温差的温度基数/℃

图6 混凝土箱梁竖向梯度温度图/mm

为保证结果具有可比性,独塔斜拉桥的整体结构不变,只在桥塔两边添加辅助墩,对比结果见图7和图8。由图7可知,梯度升温不像整体升温那样是位移对称分布的变化图,并且在梯度升温25℃不设置辅助墩的情况下最大位移出现在右侧的斜拉桥拉索区域,达到了11.5 mm,而左侧的竖向位移只有6.6 mm,在桥墩和主梁刚接的部位出现的位移几乎可以忽略,只有0.12 mm;在梯度升温25℃设置辅助墩的情况下,主梁整体的位移相比于无辅助墩时出现了明显的减小,最大处也只有2.4 mm。这说明在梯度升温下,添加辅助墩可以表现出较好的控制变形的能力,使得桥梁刚度提升,并且辅助墩的添加相比于不添加时的最大位移减小了79.1%。由图8可知,不设置辅助墩和设置辅助墩的最大弯矩都出现在桥塔和主梁刚接的中央附近,其值分别为65 839.75 kN·m和69 545.98 kN·m,在梯度升温的情况下辅助墩的设置对于弯矩的影响不明显,设置辅助墩的桥梁在左侧和中央部位发生了较大的弯矩突变,并且桥梁中间附近的突变前弯矩大于无辅助墩的。图8中在两侧辅助墩的位置和桥塔与主梁刚接位置处的弯矩都发生了突变,但是突变的大小不一致,是由于梯度升温和连接方式而导致的。

图7 梯度升温竖向位移图

图8 梯度升温主梁弯矩图

4 结论

采用Midas/Civil软件研究某大跨度独塔斜拉桥刚构体系,分析了在温度荷载下有无辅助墩设置的内力性能差别,在研究温度的作用下得出了一些结论:

(1)辅助墩和主梁进行刚性连接会导致主梁在温度作用下的弯矩在辅助墩设置处发生突变,会影响桥梁整体的安全,可选用其他连接方式;

(2)在整体和梯度升温2种情况下,辅助墩的设置都能明显的减小大跨度桥梁的竖向位移,使桥梁位移分布变得更合理,提高桥梁的整体刚度;整体升温下辅助墩还能减小独塔斜拉桥中央部位的弯矩,梯度升温下辅助墩对于减小主梁弯矩的作用不明显;

(3)整体升温比梯度升温对于桥梁的影响大,是因为整体升温将桥梁内部的温度全部设置为与最外部一致,因此,桥梁在使用过程中不可忽视温度荷载的影响。