雷素敏,吕贤良,章开东

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

在桥梁建设的早期阶段，温度效应导致的桥梁结构安全问题往往被忽视。通常认为只有超静定结构中才存在温度应力。随着桥梁开裂甚至坍塌事故逐渐增多，温度效应对桥梁结构的影响逐步被认识到。研究桥梁结构的温度效应问题至关重要[1-2]。

对桥梁结构尤其是空心薄壁墩温度效应的研究已经有了初步进展。美国的Zuk[3]研究了气温、太阳辐射等气象条件对桥梁结构的影响，得到了梁顶底面之间的最大温差近似方程。谢新[4]基于西部地区的气候环境，对高海拔峡谷地带空心薄壁墩的温度效应进行了研究。何义斌[5]采用全桥整体有限元分析和墩身局部子模型分析相结合的方法，分析了空心薄壁墩竖向应力、环向应力的大小以及对桥梁结构的影响。李彪等[6]基于不同的桥梁走向及墩身截面形式分析了薄壁高墩的温度效应。彭友松等[7]利用热弹性理论分析了混凝土圆形空心墩的日照温度效应，并推导了该效应的弹性理论解。杨美良等[8]通过桥墩实测温度的变化，分了桥墩在日照作用下的温度分布规律，指出空心薄壁墩的温度效应不可忽视。

综上可见，对空心薄壁墩温度效应的研究较多，气象条件对空心薄壁墩温度效应的定量分析却较少。本文以一座时速250 km/h的城际铁路32 m简支梁桥空心薄壁墩为实例，分析其在寒潮降温、日照辐射、气温升温作用时的应力状态，并对比分析温差作用时间对温度效应的影响。

1 工程概况

空心薄壁墩采用C35混凝土，墩高50 m。墩顶尺寸为4.4 m(纵向)×8.6 m(横向)，墩顶壁厚0.5 m，外坡率40∶1，内坡率60∶1。上实体段高3.0 m，下部实体段高2.5 m。空心薄壁墩尺寸见图1。图中，1-1为空心薄壁墩的上梗肋顶截面；2-2为上梗肋底截面；3-3为墩身中部截面；4-4为下梗肋顶截面；5-5为下梗肋底截面。

图1 空心薄壁墩尺寸(单位：cm)

2 计算模型

2.1 模型参数的选取

采用MIDAS FEA建立空心薄壁墩实体模型进行温度效应分析。混凝土弹性模量和泊松比参照TB 10002.3—99《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》[9]取值，混凝土导热系数、对流换热系数、比热容、密度等参照《桥涵通用设计资料》[10]取值。混凝土温度效应分析参数见表1。

表1 混凝土温度效应分析参数取值

2.2 温度效应分析工况

按照模拟分析方案，寒潮降温采用模型整体降温的模式；日照升温采用气温升温和辐射升温2种模式。其中气温升温初始温度为10 ℃，辐射升温初始温度为20 ℃，且辐射升温分别按横桥向和顺桥向的方式施加。空心薄壁墩温度效应分析工况见表2。

表2 温度效应分析工况

2.3 温度效应分析方法

2.3.1 MIDAS FEA热分析方法

在MIDAS FEA中对空心薄壁墩内壁施加强制温度荷载，对外壁及墩顶设置对流边界条件来模拟寒潮降温。日照升温考虑了温差沿截面周边按余弦规律变化的趋势，采用强制温度函数和对流边界条件施加温度荷载。

2.3.2 热传递分析方法

热传递分析按照文献[10]中的相关规定计算。空心墩温差沿壁厚的分布规律为

Tx=Tme-αxcosαx

(1)

式中：Tx为距外壁x处的墩壁温差， ℃；Tm为内外壁表面的温差， ℃；x为计算点距外壁的水平距离，m；α为温度变化衰减值，m-1，按式(2)计算得到α=6.779。

(2)

式中：C为混凝土比热容；γ为混凝土密度；T为热的波动周期，参照规范取 86 400 s；λ为混凝土导热系数。

下文将依据文献[10]计算得到的空心薄壁墩内外壁温差分布值作为理论值，并与MIDAS FEA的模拟值进行对比分析。

3 气象条件的影响分析

3.1 寒潮降温作用

将空心薄壁墩上梗肋顶、底截面，墩身中部截面、下梗肋顶、底截面作为关键截面，其寒潮降温15 ℃竖向应力分布见图2。图中正值为拉应力，负值为压应力。

图2 空心薄壁墩寒潮降温15 ℃竖向应力分布(单位：kPa)

由图2可知：①空心薄壁墩外壁分布竖向拉应力，内壁分布竖向压应力，且拉应力较压应力约大67%～76%；②在空心薄壁墩上梗肋和下梗肋处分布的应力较小且部分区域为压应力，与墩身其他截面处应力分布相比较为不均匀。因此应关注空心薄壁墩在上下梗肋处由于截面变化带来的温度应力问题。

3.2 辐射升温作用

空心薄壁墩辐射升温15 ℃竖向应力分布见图3。可知：①墩身辐射面外壁分布竖向压应力，内壁及上下梗肋处大多分布竖向拉应力，约为日照辐射面竖向压应力的5%～14%。②空心薄壁墩朝向日照一侧的内壁及中间层有部分竖向拉应力分布，且顺桥向的竖向拉应力较横桥向的竖向拉应力大；外壁上下梗肋处的竖向应力较中部截面处的小，在内壁截面上的分布较为均匀。说明辐射升温作用下，空心薄壁墩顺桥向墩身整体应力较横桥向应力大，原因是顺桥向的辐射升温作用面积较大，带来的墩身温度效应较为显著。

图3 空心薄壁墩辐射升温15 ℃竖向应力分布(单位：kPa)

对比图2、图3可知：同样是在15 ℃温差作用下，寒潮降温造成空心薄壁墩外壁的竖向最大温度应力约为3.70 MPa；顺桥向辐射升温造成空心薄壁墩外壁的竖向最大温度应力约为3.67 MPa；横桥向日照辐射造成空心薄壁墩外壁的竖向最大温度应力约为3.51 MPa。表现为寒潮降温对空心薄壁墩造成的温度应力影响较为明显，顺桥向辐射升温次之，横桥向辐射升温最小。

3.3 气温升温作用

空心薄壁墩气温升温10 ℃竖向应力分布见图4。可知，空心薄壁墩外壁分布竖向压应力，内壁分布竖向拉应力，上下梗肋处的应力约为中间部分的16%～30%。

图4 空心薄壁墩气温升温10 ℃竖向应力分布(单位：kPa)

对比图3、图4可知：在辐射升温作用下，墩壁的拉应力仅在日照区域较为集中；而在气温升温作用下，墩壁的拉应力沿墩壁一周分布较为均匀。

综上可知，空心薄壁墩在寒潮降温作用下墩身外壁分布竖向拉应力，内壁分布竖向压应力；在辐射升温和气温升温作用下竖向拉(压)应力的分布正好与寒潮降温作用下相反；气温升温作用下墩身的应力分布较辐射升温下更均匀；在上下梗肋过渡段，受截面突变及上下实体段的影响，温度应力分布不均匀，应关注在寒潮降温作用下空心薄壁墩上下梗肋处的温度应力对墩身结构带来的不利影响。

4 温差作用时间的影响分析

4.1 寒潮降温作用时间

以空心薄壁墩中部截面直线段中心处的温度为研究对象。在寒潮降温作用下，计算分析气温由最高温度(5 ℃)降到最低温度(-10 ℃)的作用时间(5，10，15 h)时对空心薄壁墩温度的影响，见图5。

图5 寒潮降温作用时间对空心薄壁墩温度的影响

由图5可知，当作用时间为5，10，15 h时，空心薄壁墩外壁温度分别为-1.64,-3.91,-4.56 ℃。说明作用时间越长，空心薄壁墩外壁温度越低。当作用时间为10 h时，理论值与模拟值的分布曲线整体上比较接近，最终温差最小。

寒潮降温作用时间对空心薄壁墩温度应力的影响见表3。

表3 寒潮降温作用时间对空心薄壁墩温度应力的影响

由表3可知，在寒潮降温作用下，空心薄壁墩外壁分布环向拉应力，内壁分布环向压应力；随着作用时间的增长，空心薄壁墩内外壁的最终温差、竖向和环向应力呈增大趋势。作用时间从5～10 h的变化过程中，内外壁的温差和应力增幅均较10～15 h的增幅明显。当作用时间为10 h时，理论值与模拟值较为接近。

4.2 辐射升温作用时间

因辐射升温和气温升温作用时间对空心薄壁墩温度效应的影响规律相似，故选取与寒潮降温工况对应的辐射升温工况来分析其作用时间对空心薄壁墩温度效应的影响。以空心薄壁墩中部截面直线段中心处的温度为研究对象，计算分析气温由20 ℃升到35 ℃的作用时间(6，10，15 h)对空心薄壁墩温度的影响，见图6。

图6 辐射升温作用时间对空心薄壁墩温度的影响

由图6可知，温度沿壁厚的分布规律和寒潮降温作用下分布规律相似，均表现为随着作用时间的增长，空心薄壁墩内外壁最终温差增加，且当作用时间为10 h 时，理论值和模拟值较为接近。

辐射升温作用时间对空心薄壁墩温度应力的影响见表4。

表4 辐射升温作用时间对空心薄壁墩温度应力的影响

由表4可知，随着作用时间的增大，空心薄壁墩内外壁的温差和应力均呈增大趋势，且作用时间10 h之后增幅趋势减小。当作用时间为10 h时，内外壁温差的理论值和模拟值较为接近，与寒潮降温工况所得规律相似。

5 结论

1)寒潮降温作用下，空心薄壁墩外壁分布竖向拉应力、环向拉应力，内壁分布竖向压应力、环向压应力。当辐射升温和气温升温作用时，其拉、压应力分布规律与寒潮降温作用时相反。

2)由于空心薄壁墩上下梗肋过渡段截面变化的影响，导致其与墩身温度应力分布不均匀，尤其应该注意寒潮降温作用时上下梗肋处由温度应力带来的不利影响。建议墩身应合理配筋，保证结构的安全。

3)相同温差下，随着作用时间的增长，空心薄壁墩内外壁的温差和应力最初增幅较大，作用时间10 h之后增幅变小。因此，作用时间为10 h时，所得空心薄壁墩内外壁温差理论值和模拟值较为接近。