超高薄壁空心墩空間應力場分析及防裂對策研究

李光躍 任浩

摘要:以某工程實例為基礎建立超高薄壁空心墩的有限元模型，并對其進行溫度荷載的加載，分析薄壁空心墩的應力場；通過建立外部尺寸相同而壁厚不同的空心墩模型進行溫度加載，分析壁厚對薄壁空心墩防裂性能的影響，從而達到對超高薄壁空心墩的空間應力場及其防裂對策進行研究的目的。結果表明：薄壁空心墩在溫度荷載作用下，內壁以受壓的應力狀態為主，而外壁以主拉應力為主，此外，在外部尺寸確定的情況下，超高薄壁空心墩的防裂可通過適當增加其壁厚實現。

關鍵詞:橋梁工程，超高薄壁空心墩，應力場分析，防裂對策研究

中圖分類號：K928文獻標識碼： A

引言

近些年來，在很多工程中可以發現橋墩上出現多處裂縫，從裂縫的形態來看，這并非是直接由外荷載引起的，經過國內外學者的研究分析，此種裂縫是因溫度的變化而產生。雖然目前在這一方面很多人已經做了大量的研究工作并獲得了許多有意義的成果與經驗，但是，針對大型連續剛構橋橋墩，特別是超高薄壁空心墩的研究并沒有一套完整的理論供設計人員參考。

劉興法[1]等根據觀測數據給出了溫度場分布的有關表達式以及溫度應力的簡單近似算法。強士中和彭友松[2]對混凝土的日照溫度場進行了深入的研究工作，提出了計算箱型薄壁結構的日照溫差的解析法。方志[3]對巴東長江公路大橋混凝土橋塔的溫度效應進行了探討，并利用有限元軟件計算了不同截面形式索塔的溫度應力。蔣國富[4]以洛河大橋為背景，通過長時間的觀測，對洛河特大橋橋墩進行了溫度應力分析和計算。任翔、黃平明[5]在宜昌長江大橋的監控過程中對橋塔的溫度場進行了全年觀測，提出了混凝土橋塔沿壁厚方向溫差梯度荷載按線性分布同時對溫度裂紋的擴展行為進行了預測。

本文通過對某一實際工程的不間斷測量以及有限元FEA模型的深入分析，對超高薄壁空心墩的橫向應力分布、壁厚對應力分布的影響、防裂措施等進行了比較精細的研究。

1 工程實例

本文以陜西某在建高速公路橋梁為例進行分析，該主橋是一座跨徑組合為（98+185×5+98）m的超高墩特大跨預應力連續剛構橋，主橋主墩為雙排墩，共計六排，編號按里程依次為11~16#，其總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋墩總體布置圖

本文以15#主墩為例進行應力場的分析，該墩高度為180m，其截面除承臺以上400cm范圍內為實心截面外，其余部分采用從高至低逐漸增大的矩形空心斷面。

2薄壁空心墩應力場空間仿真分析

2.1 三維空間有限元模型建立

本次計算采用Midas FEA建立雙幅橋墩的實體有限元模型，邊界條件簡化為在橋墩底面施加固定約束；自重荷載以混凝土實際容重計入，最終建立模型如圖2所示。

圖2 15#墩三維空間有限元模型

2.2 薄壁空心墩空間應力場分析

2.2.1 應力測點布置

為簡化分析，此次分析僅以南側一幅橋墩為例進行計算，本文主要研究沿墩截面長寬方向的應力

分布，即應力的橫向分布。為便于觀察，在橫向共設置6個觀測路徑，墩壁內外側各6個；從下至上每隔24m一個，進行布置。

2.2.2 溫度應力計算

對橋墩的橫向溫度應力分析，一方面考慮采用整體橋墩模型，另一方面采用二維平面有限元模型，二者結合計算。荷載采用溫差較大的溫差荷載進行計算，該溫差為2013年12月31日20:00，橋墩溫度場測試中南側墩壁內外達到最大負溫差6.5℃，此時，東側內外墩壁溫差為-2.4℃，西側內外墩壁溫差為-4.0℃，北側內外溫差為-3.5℃。對整體模型的計算，如圖4(a)、(b)所示。

(a) 主拉應力

(b) 主壓應力

圖3 主壓應力、主拉應力計算結果

由圖3可知，在橋墩內外壁負溫差作用下，橋墩外壁出現較大的拉應力，路徑C處最大拉應力可達1.09MPa，而內壁則出現較大壓應力，路徑b最大壓應力達0.90MPa。

二維平面有限元模型的溫度應力計算結果如圖4所示。由圖4可知：截面在南側墩外壁中心處出現最大拉應力1.35MPa，而在內壁中心線處出現最大壓應力為0.63MPa。

可以看出，平面網格的計算結果與整體模型相近，但是主拉應力更大，而主壓應力更小。其原因是：平面網格做了比較多的簡化，它完全忽略了溫度在高度方向上的擴散作用，同時，其他層次上單元對其影響也很難考慮。

圖4 二維平面網格及其溫度應力云圖

3 壁厚對橋墩應力場影響分析

壁厚是薄壁空心墩參數中最為關鍵的因素之一，合理的壁厚對橋梁的適用性和經濟性的提高是明顯的，橋墩壁厚太厚，一方面會造成資源浪費，另一方面會導致表面溫度應力；橋墩壁厚太薄，雖然節省了材料，但是導致橋墩長期處于高應力狀態，安全度不高，且容易造成局部失穩。為了進一步探明壁厚對溫度效應的影響，建立A,B兩個外尺寸相同、壁厚分別為80cm和120cm的二維有限元平面模型，進行對比。

當橋墩壁厚大于60cm之后，外界溫度對橋墩內表面溫度的影響就已經很小，因此，這里不考慮橋墩壁厚對內外壁溫差的影響，鑒于此，給兩個模型施加同一溫度荷載，各個方向的內外壁溫差-10℃，即橋墩外壁+10℃，內壁0℃。由于是對稱模型，在進行結果對比時只對比左側和下側墩壁即可，模型A、B在溫度荷載作用下的主拉應力、主壓應力計算結果如圖5(a)、(b)所示。

由圖5可知：在相同的溫差荷載作用下，模型A的主拉應力要比模型B稍大一些，而主壓應力基本相同，也就是說，在外觀尺寸相同的條件下，壁厚越大，內部的溫度主拉應力越小。其原因是：在溫差作用下，墩壁之間的纖維由于溫度不同伸縮量也不同，這就導致纖維之間的相互作用，顯然地，壁厚越大，這種相互作用就會越弱，那么自應力也

(a) 主拉應力

(b) 主壓應力

圖5 模型A、B應力計算結果對比分析

就越小，極限地講，實心墩是同尺寸下溫度應力最小的截面形式。

通過以上分析可知：在外部尺寸一定的情況下，可通過適當增加壁厚來抵抗溫度應力。

4結語

1、本文首先以工程實例為基礎，使用Midas FEA建立了某大橋薄壁空心墩的三維實體有限元模型；

2、其次，選擇了在溫度荷載作用下，應力大小具有代表性的部位，計算在溫度荷載作用下的主拉應力、主壓應力，對溫度荷載作用下薄壁空心墩的應力場分布特點進行了分析；

3、建立了外部尺寸相同而壁厚不通過的兩個空心墩模型，并計算兩個模型內壁、外壁在相同的溫度荷載作用下產生的主拉應力與主壓應力，結果發現：模型A、B在溫度荷載作用下的主壓應力基本相同，而壁厚較大的模型B，各部位的主拉應力均明顯小于前者，故在薄壁空心墩外部尺寸確定的情況下，適當增加壁厚可提高結構的防裂性能。

參考文獻

[1]劉興法. 預應力混凝土箱梁的溫差荷載與應力檢算[J]. 鐵路標準設計，1986, (6):1-9.

[2]彭友松, 強士中, 李松. 圓形空心墩日照溫度效應分析[ J ] .橋梁建設, 2006( 4) : 74- 67.

[3]方志，佘小年，汪劍，等. 大跨預應力混凝土連續梁橋的溫度效應[J]. 公路，2003,11(11): 35-37.

[4]蔣國富. 大跨徑橋梁高墩日照溫度效應的研究[D] . 西安: 長安大學, 2005.

[5]任翔. 混凝土橋塔溫變效應及開裂機理研究[D]. 西安：長安大學, 2009.