張 菂

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

新型鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有自重輕、承載力高、建筑高度小等優(yōu)點(diǎn),其橫向穩(wěn)定性和抗扭性能都比較好,故鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)用于高速鐵路具有一定的優(yōu)越性。高速鐵路對(duì)橋梁的剛度要求非常嚴(yán)格,而箱梁結(jié)構(gòu)受溫度變化的影響很大。國(guó)內(nèi)外針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁的溫度變形已經(jīng)開展了很多研究工作,并先后將溫度荷載納入各國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中。為了確保鋼箱-混凝土組合梁能滿足剛度設(shè)計(jì)要求,也應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行溫度變形分析。本文運(yùn)用大型通用有限元軟件A N S Y S對(duì)某擬建的鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁進(jìn)行了溫度變形分析。

1 箱形梁的溫度荷載

圖1(a)為沿梁高、梁寬雙向溫差分布,圖 1(b)為沿梁高單向溫差分布。與上午 10時(shí)箱梁頂板、腹板同時(shí)受日照及下午 14時(shí)箱梁頂板受日照時(shí)的溫度荷載分布相對(duì)應(yīng)。

圖1 箱梁的兩種溫度分布圖式

鋼箱-混凝土組合梁由于頂板和腹板、底板材料不一樣,同一截面上的溫度變形不一致,其溫度分布比較復(fù)雜,要分析每一瞬間的溫度應(yīng)力在工程上是不可行的。只能從各種復(fù)雜的溫度分布模式中,選取某幾種對(duì)鋼箱-混凝土組合梁產(chǎn)生最不利影響的溫度分布進(jìn)行分析。

2 鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁計(jì)算模型

本文選用的鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁為單跨簡(jiǎn)支梁,其截面形狀和尺寸見圖 2。

鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁的梁體高 2.2 m,混凝土板厚24.6c m,鋼箱梁上蓋板厚 1.4cm,翼緣懸臂 16cm,腹板厚1.4cm,底板厚 1.6cm,在支座附近箱底加寬且局部加強(qiáng)。在鋼箱梁內(nèi)設(shè)置縱向加勁肋及橫隔板,橫隔板自跨中截面向兩側(cè)每 1m設(shè)置一個(gè),板厚 12mm,人孔尺寸寬 60cm、長(zhǎng)100cm。

圖2 鋼箱-混凝土組合梁截面形狀(單位:m m)

3 溫度荷載分布模式

對(duì)鋼箱-混凝土組合梁在不均勻溫度分布情況下的變形,主要考慮以下幾種工況:

(1)工況 1,溫度橫向分布,梁兩側(cè)溫差 15℃,溫度沿梁寬呈線性變化;

(2)工況 2,溫度沿梁高呈線性變化,底板溫度高于頂板溫度,溫差 15℃;

(3)工況 3,參照德國(guó)規(guī)范,頂板溫度高于底板溫度,溫差 25℃,溫度沿梁高呈線性變化;

(4)工況 4,參照中國(guó)規(guī)范,頂板溫度高于底板溫度,溫差 25℃,溫度呈指數(shù)變化,即 Tz=T0e-5z,Z的單位為 m,T0為 25℃;

(5)工況 5,參照 B S 5400的折線形溫度分布。

溫度計(jì)算模式如圖 3所示,圖中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別對(duì)應(yīng)于工況 1、2、3、4、5。

圖3 鋼箱-混凝土組合梁溫度變形計(jì)算模式

4 鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁的溫度變形分析

4.1 計(jì)算參數(shù)

鋼箱-混凝土組合梁中鋼材采用 16 Mn q鋼,其彈性模量為 Es=2.1×105MPa,泊松比 ν=0.3,容重為 γ=78.5 k N/m3?；炷涟?C 60考慮,其彈性模量為Ec=3.65×104MPa,泊松比 υ=0.2,容重 γ=25 k N/m3,熱膨脹系數(shù) α=1.25×10-5。

梁全長(zhǎng)l=24.768 m,計(jì)算跨度 l0=24.068 m,橫向支座間距 l1=2.2m。

4.2 有限元空間分析模型的建立

鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁的箱體部分、橫隔板、縱向加勁肋及支座加強(qiáng)板均采用殼單元,混凝土板采用實(shí)體單元。網(wǎng)格劃分如圖 4所示,共計(jì)節(jié)點(diǎn) 6 970個(gè),單元 5 208個(gè),其中,殼單元 4 128個(gè),實(shí)體單元 1 080個(gè)。

模型采用的坐標(biāo)系為:橋軸向?yàn)?Z方向,橫橋向?yàn)?X方向,豎橋向?yàn)?Y方向。

圖4 鋼箱-混凝土組合梁有限元空間模型

分析時(shí)將溫度荷載施加在單元節(jié)點(diǎn)上,鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁在 5個(gè)溫度荷載工況下的變形見圖 5。

鋼箱混凝土板組合試驗(yàn)梁在 5種工況溫度荷載作用下的變形結(jié)果列入表1。

4.3 溫度變形計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 德國(guó)高速鐵路橋梁的溫度變形控制條件

(1)單跨簡(jiǎn)支軌道梁的上下梁板間豎向溫差變形要求不超過以下的限值:

圖5 不同溫度荷載工況下的變形

①當(dāng)梁頂面溫度高于梁底面溫度時(shí), 應(yīng)滿足

fymax

②當(dāng)梁頂面溫度低于梁底面溫度時(shí),應(yīng)滿足

fymax

(2)單跨簡(jiǎn)支軌道梁的左右梁板間橫向溫差變形要求不超過以下的限值:

fxmax

4.3.2 高速鐵路橋梁的撓度控制值

(1)多跨簡(jiǎn)支梁豎向撓度控制值為:

fymax≤l/1800=24068/1800=13.37mm

(2)單跨簡(jiǎn)支梁橫向撓度控制值如下:

fxmax≤l/4000=24068/4000=6.02 mm

其中,l為線路梁的跨度。

將 5種工況的荷載變形及限值要求匯總于表2中。我國(guó)高速暫行規(guī)定撓度控制值簡(jiǎn)稱為中國(guó)限值,德國(guó)規(guī)范溫度變形控制值簡(jiǎn)稱為德國(guó)限值。

由表2可知,該鋼箱-混凝土組合試驗(yàn)梁在多種溫度荷載作用下的豎向和橫向撓度均能滿足我國(guó)高速鐵路暫行規(guī)定要求,而對(duì)于德國(guó)規(guī)范的規(guī)定,僅在工況 5按英國(guó)B S 5400溫度分布模式計(jì)算時(shí)才能滿足控制條件。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上分析可以看出,鋼箱-混凝土組合梁的溫度變形值較大,接近于我國(guó)高速鐵路暫行規(guī)定的橋梁剛度的控制值。溫度變形是不可避免的,這樣勢(shì)必在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生更大的撓度,甚至發(fā)生梁的破壞。對(duì)此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮溫度變形影響,或?qū)Y(jié)構(gòu)采取隔熱措施處理。此外,不同的溫度分布模式對(duì)結(jié)構(gòu)變形也有很大影響。由于目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)豎向溫度分布模式均為基于試驗(yàn)基礎(chǔ)得出的非線性分布形式,側(cè)重于其引起的溫度次應(yīng)力,當(dāng)梁的變形成為設(shè)計(jì)控制值(如磁懸浮軌道梁對(duì)撓度的要求很高),則應(yīng)考慮建立反映實(shí)際溫度變形效應(yīng)的溫度模式,開展相應(yīng)的溫度分布測(cè)試。

[1]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京:人民交通出版社,1991

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.京滬高速鐵路線橋隧站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[3]T B 10002-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]T B 10022-2005鐵路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5]英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì).英國(guó)標(biāo)準(zhǔn) B S 5400.鋼橋混凝土橋及結(jié)合橋(上冊(cè))[S]

[6]英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì).英國(guó)標(biāo)準(zhǔn) B S 5400.鋼橋混凝土橋及結(jié)合橋(下冊(cè))[S]

[7]王林.各國(guó)規(guī)范關(guān)于混凝土箱梁橋溫度應(yīng)力計(jì)算的分析與比較[J].公路,2004(6)