單邊日照對薄壁高墩偏位的有限元分析

夏文敏

（海南省公路勘察設計院，海南　海口 570206）

單邊日照對薄壁高墩偏位的有限元分析

夏文敏

（海南省公路勘察設計院，海南海口 570206）

結合工程實例，運用有限元軟件M IDAS/CIVIL，建立Beam單元和Thi ck pl at e單元空間有限元模型，考慮在單邊日照下，對薄壁高墩的施工偏位進行有限元分析，結果表明：在單邊日照下，對最大懸臂施工階段高墩的穩定性影響不容忽視。

剛構橋；高墩；穩定性；日照；有限元

1　工程實例

本文以某特大橋為實例，擬建特大橋是一座四肢薄壁高墩連續剛構橋，位于廈成高速公路跨山谷路段。該橋主橋尺寸見圖1，其中12號墩為最高墩，墩高179.3 m，由于該特大橋具有墩高、薄壁等特點，在日照溫度效應影響下，其在最大懸臂施工階段的穩定性問題尤其突出。

圖1　橋梁立面圖（單位：cm）

2　分析模型的建立

本文采用公路橋梁分析軟件M i das/Ci vi l，分別采用Beam單元和Thi ck pl at e單元模擬12號高墩在最大懸臂施工階段的三維空間模型，見圖2。

圖2　兩種MIDAS/CIVIL三維空間模型（12號）

3　日照溫度荷載的規定

我國公路橋涵設計通用規范（JTGD62-2004），根據橋面板和其他部分的溫度差計算斷面內的應力時，溫差以5℃為標準，溫度分布在橋面和其他部分內分別認為是均勻的［1］。當計算橋梁上部結構由梯度溫度引起的效應時，關于溫度荷載的規定見圖3。

圖3　溫度荷載的規定

4　薄壁高墩溫度效應分析

在太陽輻射作用下，薄壁高墩受外界溫度效應影響顯著，加上日照時間長、溫差大，所產生的溫差荷載對薄壁高墩的偏位影響不可忽視。而且考慮高墩在太陽輻射影響下的變形是為考慮非線性因素對高墩的穩定性影響提供數據準備。

4.1薄壁高墩溫度荷載及有限單元選取［2-4］

M i das/Ci vi l是基于對預應力箱梁、懸索橋、斜拉橋、水化熱分析等土木建筑的分析中所需要的各種功能進行綜合考慮而開發的土木結構分析系統。本文采用溫度梯度的加載方法模擬溫度荷載，對模型進行溫度荷載計算。結合該橋所處地理位置，考慮單邊日照，確定變截面箱形空心墩和箱梁沿縱橋向的位移。

在溫度效益分析時，依據規范日照溫差是線性分布的，選取Beam單元和Thi ck pl at e單元模型能很好的模擬薄壁高墩單邊日照溫差效應分析。

4.2單邊日照溫度效應分析

通過計算分析，得到在最大懸臂施工狀態下，薄壁高墩由太陽輻射溫差荷載作用而產生的位移及其應力效果圖見圖4、圖5。其中模型的最大位移、最大應力值見表1。

圖4　施工階段179.3 m高墩單邊日照所引起的位移云圖（左為梁模型，右為板模型）

圖5　施工階段179.3 m高墩單邊日照所引起的應力云圖（左為梁模型，右為板模型）

表1　單邊日照產生的最大位移及應力值

通過對施工階段179.3 m高墩單邊日照作用下的溫度效應分析可知，梁模型：墩頂最大縱向位移為0.025 cm，板模型：墩頂最大縱向位移為0.023 cm，相差為8.70%（相對板模型）。梁模型：主梁懸臂端的最大縱移為0.029 cm，板模型：主梁懸臂端的最大縱移為0.027 cm，相差為7.41%（相對板模型）。兩者分析結果較為接近。

從表1數據表明，考慮單邊日照的溫度效應，高墩墩頂縱向位移較為明顯，可作為高墩幾何非線性分析的前期缺陷，對薄壁高墩穩定性的影響不容忽視。

4　結論

（1）對四肢薄壁高墩采用梁單元和厚板單元進行模擬，考慮單邊日照下，高墩的縱向位移結果較為接近，分析結果可靠。

（2）考慮單邊日照下，高墩墩頂縱向位移較為明顯，可作為高墩幾何非線性分析的前期缺陷，對薄壁高墩穩定性的影響不容忽視。

［1］JTGD62-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［2］凱爾別克.太陽輻射對橋梁結構的影響［M］.北京:中國鐵道出版社，1981.

［3］馬保林.高墩大跨連續剛構橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］李國豪.橋梁結構穩定與振動［M］.北京:中國鐵道出版社，1996.

圖4　防拋網立面圖（單位：cm）

4　結　語

跨越鐵路橋梁的設計，要充分施工及運營期間考慮對鐵路的安全影響，與鐵路充分溝通，重視鐵路的要求，選擇適合本橋位的橋型，周密安排每項施工過程，才能保證跨越鐵路橋梁的順利實施。

參考文獻：

［1］劉東.跨越既有高速鐵路橋梁施工方案及防護設計研究［J］.橋梁建設，2010（6）:70-72.

［2］JTG D60—2015，公路橋涵設計通用規范［S］.

U443.22

B

1009-7716（2016）09-0145-02

2016-05-09

夏文敏（1985-），男，海南萬寧人，工程師，從事路橋勘察設計工作。