混凝土收缩对空心墩墩顶实体段的应力影响研究.pdf

蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯 4摇 上海铁路局,同济大学. 沪宁高速铁路基础设施养修技术研究总 报告R. 上海:上海铁路局,同济大学,2012. 5摇 王东. 高速铁路委托运营管理模式研究J. 铁道运输与经济, 2014, 36(6):12 15. 6摇 金辉. 京沪高铁南京大胜关长江大桥养护模式探讨J. 现代交通 技术,2013,10(6):5155. 7摇 铁道部京沪高速铁路建设总指挥部南京指挥部. 京沪高速铁路南 京大胜关长江大桥工程技术论文集M. 北京:中国铁道出版 社,2008. 8摇 任远. 大跨度斜拉桥养护管理系统的数字化研究D. 哈尔滨:哈 尔滨工业大学,2008. 9摇 谭川,宋刚,孟立波. 基于云平台的大型桥梁管养系统研究J. 公 路交通科技,2014(6):127130. 10 陈艾荣,袁欣. 桥梁维护、安全与运营管理技术与挑战M. 北 京:人民交通出版社,2013. 11 徐骏,李安洪,刘厚强,等. BIM 在铁路行业的应用及其风险分析 J. 铁道工程学报,2014(3):129133. 12 逯宗田. 铁路设计应用 BIM 的思考J. 铁道标准设计,2013(6): 140143. 13 聂良涛,易思蓉,林俊. 高速铁路工务工程基元模型库系统研究与 应用J. 铁道标准设计,2015,59(5):510. 收稿日期:20150902; 修回日期:20150916 作者简介:董红科(1983),男,工程师,2006 年毕业于西南交通大学 土木工程专业,工学学士,E鄄mail:hkdong1983163. com。 第 60 卷摇 第 4 期 2016 年 4 月 铁 道 标 准 设 计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN Vol. 60摇 No. 4 Apr. 2016 文章编号:10042954(2016)04005804 混凝土收缩对空心墩墩顶实体段的应力影响研究 董红科, 戚摇 铁 (中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,太原摇 030013) 摘摇 要:为分析混凝土收缩荷载对空心墩墩顶实体段应力的影响,以某单线铁路空心墩为例,对墩顶实体段进行结 构有限元建模分析。 分析表明:仅考虑竖向荷载(含动力系数)时,最大拉、压应力出现在顺桥向;考虑混凝土收缩 荷载后,最大拉、压应力出现在横桥向,且拉应力数值增加明显,尤其是横桥向拉应力增加 2 3 倍,混凝土收缩荷 载对墩顶实体段应力影响很大,设计配筋时应予以考虑。 关键词:铁路桥梁; 空心墩; 混凝土收缩; 应力 中图分类号:U443郾 22摇 摇 文献标识码:A摇 摇 DOI:10. 13238/ j. issn. 1004-2954. 2016. 04. 014 Study on Stress Effect of Concrete Shrinkage on Top Solid Section of Hollow Pier DONG Hong鄄ke, QI Tie (Taiyuan Design Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co. , Ltd. , Taiyuan 030013, China) Abstract: In order to explain the importance of the stress effect of concrete shrinkage on the top solid section of the hollow pier, a single track railway hollow pier is taken for reference and the finite element model is established to analyze the top solid section of the pier. The analysis reveals that the maximum tensile stress and compressive stress appear in the axial direction of the bridge when the vertical load (including the aerodynamic coefficients) is only taken into consideration. The maximum tensile stress and compressive stress appear in lateral direction when the concrete shrinkage load is also considered. Moreover, the tensile stress value increases significantly, and the transverse tension stress increases by about 2 3 times. Concrete shrinkage load has great influence on the stress at the top solid section of the pier and attention shall be paid to it in the design and calculation of the reinforcement. Key words: Railway bridge; Hollow pier; Concrete shrinkage; Stress 1摇 概述 空心墩一般由墩顶实体段、墩身空心段和墩底实 体段 3 部分组成。 墩顶实体段作为空心墩的重要组成 部分之一,一般由托盘和顶帽两部分组成。 设置的目 的在于使支座反力能够均匀地传递给墩身,并减少活 载动力作用对墩身的影响。 目前常规的设计计算方法 是将其简化成四周支承的厚板结构,按照深梁或悬臂 梁理论来进行结构验算1。 验算荷载往往只考虑竖 向荷载(含动力系数) 2,相关文献认为还应考虑制动 力和风荷载的影响,但未提及混凝土收缩荷载3。 2摇 混凝土收缩荷载应被考虑的必要性 混凝土收缩是混凝土材料的物理力学性能之 一4。 对空心墩来讲,施工时一般采用分段灌注施 工。 因此,墩顶实体段与墩身空心段因灌注时间不同 会产生混凝土龄差,而墩顶实体段属于周边支承的超 静定结构,所以应当按照分段灌注的混凝土结构考虑 混凝土收缩的影响。 对于分段灌注的混凝土或钢筋混 凝土结构,相当于降低温度 10 益 5。 3摇 某单线空心墩墩顶尺寸概述 某新建时速臆200 km 客货共线单线铁路 32 m 有 砟轨道预应力混凝土简支 T 梁圆端形空心墩顶帽托 盘均采用 C30 混凝土。 顶帽纵向宽 3郾 6 m,横向总宽 6郾 4 m,其中横向直线段长2郾 8 m。 受桥墩外坡比影响, 托盘底尺寸略有增加。 顶帽和托盘结构总高 3郾 5 m。 墩身高 h 适用范围为 16郾 5 46郾 5 m。 当 h = 16郾 5 25郾 5 m 时,墩身直坡;当 h=26郾 5 36郾 5 m 时,外坡比 n=60,内坡比 m=85;当 h=37郾 5 46郾 5 m 时,外坡比 n=45,内坡比 m = 80。 墩身顶壁厚 0郾 6 m,墩身顶设 0郾 5 m伊0郾 5 m 的梗肋。 墩顶结构尺寸如图 1 所示。 图 1摇 墩顶结构尺寸示意(单位:cm) 摇 4摇 有限元模型的建立 4郾 1摇 有限元模型简介 墩顶实体段建模借助 MIDAS-CIVIL 有限元分析 软件,采用实体单元建模6。 考虑到墩身高度 h 和墩 壁厚度变化对实体段应力影响不大,本模型墩身高度 截取 6 m,墩壁按直坡模拟,墩底约束按固结处理7。 结构有限元模型见图 2,其中横桥向为 x 轴,顺桥向 (纵桥向)为 y 轴,桥墩向下为 z 轴,坐标原点位于托盘 底中心位置1。 图 2摇 3/4 结构有限元模型 摇 4郾 2摇 模型正确性验证 为了确保模型正确,用结构自重荷载作用下的模 型截面应力与手算比较8,比较结果见表 1,可见,计 算结果接近,模型正确。 表 1摇 有限元模型与手算结果比较 位置/ m有限元模型计算结果/ kPa x=0,y=1郾 8,z=-6-338郾 09 x=0,y=-1郾 8,z=-6-338郾 09 x=3郾 2,y=0,z=-6-362郾 82 x=-3郾 2,y=0,z=-6-362郾 82 平均值-350郾 46 手算结果/ kPa -348郾 60 -348郾 60 摇 摇 注:“-冶号表示受压 5摇 混凝土收缩荷载作用下的应力分布 本模型混凝土收缩荷载取值按降温10 益加载4。 因桥墩在几何尺寸、荷载(指混凝土收缩荷载)和边界 约束下完全对称,取 1/4 结构研究其应力分布9。 在混凝土收缩荷载作用下,实体段应力变化明显, 数值较大。 应力分布表现为:无论是横桥向应力还是 顺桥向应力,在顶面以压应力为主,在底面以拉应力为 主。 拉压应力分界线由实体段中心约 1/2 实体段高度 位置向两墩壁边支撑位置下降。 应力具体分布见 图 3。 对实体段来讲,拉压应力最大值出现在顶面和底 面,顶面以压应力为主,分布均匀,最大值 0郾 63 MPa, 考虑压应力对混凝土结构影响不大,不予以细究。 底面以拉应力为主,且横桥向拉应力大于顺桥向 拉应力,横桥向拉应力数值约为顺桥向的 2 倍。 底面 拉应力分布可见图 4。 由图 4 可见,横桥向应力 滓x分 95第 4 期董红科,戚摇 铁混凝土收缩对空心墩墩顶实体段的应力影响研究 图 3摇 收缩荷载作用下的内部应力分布云图(单位:MPa) 摇 布均匀,数值介于 0郾 88 1郾 02 MPa。 顺桥向应力 滓y 在底面中心处较小,约 0郾 37 MPa,在底面与墩壁的连 接处增加到最大,约 0郾 63 MPa。 图 4摇 收缩荷载作用下的底面应力分布云图(单位:MPa) 摇 6摇 混凝土收缩荷载作用下的应力影响研究 墩顶实体段受多种荷载作用,一般来讲,主要为竖 向荷载(含动力系数)。 混凝土收缩属恒载,现将竖向 荷载(含动力系数)作用下的应力与考虑混凝土收缩 并组合竖向荷载(含动力系数)作用下的应力进行比 较,以研究混凝土收缩对实体段总应力的影响10。 6郾 1摇 荷载作用及荷载组合 对墩顶实体段来讲,竖向荷载主要包括结构自重、 上部 T 梁自重、桥面二期恒载、活载(含动力系数) 等11。 因本文以混凝土收缩荷载为研究对象,因此增 加此种荷载。 所有荷载的具体取值及加载说明见表 2,荷载组合见表 3。 表 2摇 荷载取值及加载模式 序号荷载名称加载说明 1结构自重材料容重:25 kN/ m3 2T 梁自重及二期恒载按均布荷载加载,总值 6058郾 2 kN 3 活载(取双孔重载, 动力系数取 1郾 2) 按均布荷载加载,总值 3 568郾 3 kN 4混凝土收缩仅墩顶实体段降温 10 益 表 3摇 荷载组合 组合名称 组合类别组合说明 组合 1主力 1结构自重+T 梁自重及二期恒载+混凝土收缩 组合 2主力 2 结构自重+T 梁自重及二期 恒载+混凝土收缩+活载 6郾 2摇 应力影响研究 (1)混凝土收缩荷载对应力分布规律的影响 在组合 1 和组合 2 两种主力组合下,未考虑混凝 土收缩作用(组合 1、组合 2 去掉混凝土收缩)的应力 分布与考虑混凝土收缩作用(组合 1、组合 2)的应力 分布规律大致一致。 即:实体段顶面受压,底面受拉; 压应力最大值出现在顶面支承垫石附近;拉应力最大 值出现在底面中心处。 未考虑混凝土收缩时的组合 2 应力分布云图如图 5 所示;组合 2 应力分布云图如 图 6 所示。 图 5摇 未考虑混凝土收缩时的组合 2 作用下 的应力分布云图(单位:MPa) 摇 图 6摇 组合 2 作用下的应力分布云图(单位:MPa) 摇 (2)混凝土收缩荷载对应力数值的影响 在组合 1 和组合 2 两种荷载组合作用下,未考虑 混凝土收缩荷载和考虑混凝土收缩荷载后的应力最大 值及变化见表 4。 表 4摇 混凝土收缩荷载考虑前后的应力最大值及变化 应力 横桥向 应力 滓x 顺桥向 应力 滓y 荷载 组合 未考虑混凝土 收缩荷载/ MPa 考虑混凝土收 缩荷载后/ MPa 应力增加 百分比/ % maxminmaxmin拉应力压应力 组合 10郾 33-2郾 181郾 24-2郾 49275郾 814郾 2 组合 20郾 49-3郾 361郾 39-3郾 77183郾 712郾 2 组合 10郾 45-2郾 270郾 67-2郾 3048郾 91郾 3 组合 20郾 66-3郾 600郾 80-3郾 6321郾 20郾 8 摇 摇 注:“-冶号表示受压 从表 4 可看出,在考虑混凝土收缩荷载作用后,应 力数值变化很大。 主要表现在以下几个方面:(1)未 考虑混凝土收缩作用时,最大拉、压应力均出现在顺桥 向,这一点可用双向板荷载主要沿短边方向传递的理 论解释。 考虑混凝土收缩作用后,最大拉、压应力均出 现在横桥向;(2)混凝土收缩作用对拉应力影响很大, 06铁 道 标 准 设 计第 60 卷 尤其是横桥向拉应力,考虑混凝土收缩作用后,横桥向 拉应力比原来增大 2 3 倍,顺桥向拉应力增大 0郾 2 0郾 5 倍,混凝土收缩作用对长边方向应力影响大于短 边方向应力,值得重视;(3)混凝土收缩作用对压应力 影响较小, 横桥向压应力有所增加, 增大 0郾 1 0郾 15 倍,顺桥向压应力几乎无变化,可以忽略。 (3)混凝土收缩荷载对实体段底面拉应力的影响 由实体段应力分布规律可知,拉应力出现在底面, 由应力数值变化可知,混凝土收缩作用对拉应力数值 影响很大,尤其是横向拉应力。 由表 4 可见,横向拉应 力在组合 2 时达到 1郾 39 MPa,远高于 C30 素混凝土的 允许主拉应力 0郾 73 MPa。 因此有必要对底面拉应力 做相关研究,用以指导设计。 混凝土收缩荷载对底面 拉应力的影响见图 7、图 8。 图 7摇 未考虑混凝土收缩时的组合 2 作用下的 底面应力分布云图(单位:MPa) 摇 图 8摇 组合 2 作用下的底面应力分布云图 摇 比较图 7、图 8 可知:(1)混凝土收缩对实体段底 面的拉应力分布规律影响不大,底面应力分布较为均 匀;(2)拉应力最大值出现的方向和数值均发生很大 变化,表现在:由图 7 可见,拉应力最大值出现在顺桥 向,即顺桥向拉应力 滓y,数值 0郾 66 MPa。 由图 8 可见, 拉应力最大值出现在横桥向,即横桥向拉应力 滓x,数 值 1郾 39 MPa。 7摇 结论 对墩顶实体段来讲,混凝土收缩荷载应被考虑,简 化计算往往很难把握其结构内力。 因此,采用空间有 限元法对墩顶实体段进行建模分析很有必要,通过研 究分析得出以下结论。 (1)混凝土收缩不改变墩顶实体段应力分布“顶 面受压、底面受拉冶的总规律。 (2)混凝土收缩改变了墩顶实体段在竖向荷载作 用下的最大应力方向。 即:未考虑混凝土收缩荷载作 用时,最大拉、压应力出现在短边支承方向即顺桥向, 考虑混凝土收缩荷载作用后,最大拉、压应力出现在长 边支承方向即横桥向。 (3)混凝土收缩荷载对拉应力数值影响很大。 顺 桥向拉应力增大 0郾 2 0郾 5 倍,横桥向拉应力几乎增加 了 2 3 倍,而且已成为结构设计的控制组合。 因此, 设计时必须给予重视。 (4)混凝土收缩荷载对压应力数值影响较小。 顺 桥向压应力变化很小,可以忽略。 横桥向压应力增大 10% 15%,其最大值一般在顶面支承垫石处,设计时 须给予留意。 (5)由于混凝土收缩对墩顶实体段应力影响很 大。 墩顶实体段通过梗肋将荷载传递给墩壁,因此,也 应重视梗肋位置处的应力变化。 综上所述,混凝土收缩荷载对墩顶实体段应力影 响很大。 设计时应给予考虑,并按照结构计算配置钢 筋,以保证墩顶实体段各截面在横桥向和顺桥向的混 凝土应力、钢筋应力及裂缝宽度均满足规范要求12。 参考文献: 1摇 李艳. 双线圆端形空心桥墩顶帽应力分析J. 铁道标准设计, 2007(2):9193. 2摇 向艳丽,黄建波. 空心墩墩顶实体段的设计理论及计算方法研究 J. 中国水运,2013(3):241242. 3摇 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. 4摇 李乔. 混凝土结构设计原理M. 北京:中国铁道出版社,2003. 5摇 中华人民共和国铁道部. 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