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​空心高墩的计算要点

futao 桥梁拆除 2019-04-18 778 0
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空心高墩的计算要点

一般较高的桥墩,墩身截面尺寸受偏心距和压应力值的控制,但当墩高超过30m时,墩身的稳定和墩顶位移量成为墩身截面需要考虑的控制条件。随着我国公路交通事业的发展,山区高等级公路建设,需要修建更多的高架桥,这促使了高桥墩的修建。

高墩一般都采用混凝土或钢筋混凝土空心结构。空心墩是空间板壳结构,受力与实体墩有所不同,设计中在验算强度、纵向弯曲稳定、墩顶水平位移等项目时,应考虑固端干扰力、局部稳定、温差等影响,还应考虑脉动风载引起的动力作用,即风振问题。

(一)固端干扰力

空心墩身与基础连接处,相当于固端的边界条件,对墩壁有约束作用,因而产生局部的纵向附加力和环向力,称为固端干扰力(图2-75)。该应力数值较大,是空心高墩自有的受力特点所致,可用空间有限元法或壳体力学的方法计算。试验资料以应力的方式表示出固端干扰力对墩壁应力影响的示意图[图2-75b)],现一般都采用简化方法,即用悬臂梁计算的墩身底截面内力乘以增大系数来进行强度验算和配筋。其系数分别为轴向力乘以1.25,弯矩乘以

1.35。

固端干扰区域高度S,在中心受压、横力弯曲和纯弯曲状态下相差不大,现一般按下式确定,即:

S.=(3.9/t/R-0.277)R(2-60)

式中:t——墩壁厚度(m);R——墩壁轴线半径或验算方向墩壁轴距之半(m)。

a)空心高墩构造图

a)空心高墩构造图

b)横力弯曲

b)横力弯曲

c)纯弯曲

c)纯弯曲

图2-75固端干扰力使墩壁变形状态的示意图

注:0、J——分别为按悬臂梁方法算得的基础顶面内外壁墩高方向之正应力;o,5、o,5—分别考虑壳体力学特点之后计算截面上内外壁墩高方向正应力之极值。

(二)空心墩的温差影响1.温差产生的温度应力

空心墩由于墩内通风条件差,加以混凝土导热性能低,在气温突变时,墩壁内外产生温差,因而使墩壁内外变形不协调,不能按温度各部分自由变形,在墩壁产生外约束和内约束温度应力。

温度应力分别按气温温差、太阳辐射温差(侧晒)和寒潮温差进行计算。一般是日照正温差时,外壁受压,内壁受拉;当寒潮降温时为负温差,外壁受拉,内壁受压。根据计算经验,温度应力一般是日照内壁与寒潮外壁拉应力控制设计。

图2-76温差沿壁厚的变化

图2-76温差沿壁厚的变化

(尺寸单位:mm)

在日照侧晒作用下,温度沿壁厚方向的分布可按现《公桥通规》对混凝土箱形梁温度梯度曲线来计算,如图2-76所示。日照反温差乘以-0.5。

在温度应力计算时,往往是计算内外壁处应力,需要用内外壁温差T7。现《公桥通规》表4.3.10-3是对桥梁上部结构,考虑不同桥面铺装对箱梁顶板表面温度的影响,而空心墩则是日照直晒的箱壁表面温度,所以T,值要大一些。一般情况可根据热传导理论,利用太阳辐射强度及表面温度计算确定。根据目前统计资料,当墩壁厚度为0.5~0.7m时,建议中南、华东地区气温与最大辐射温差之和可取T,=25℃,计算降温温差可取T,=10℃;东北地区(吉林省和黑龙江省),可分别上加5℃。

温差应力计算,对自约束应力计算方法同上部结构;对纵向外约束应力可根据桥墩支承条件,用结构力学方法或有限元分析方法求解;对横向箱形墩截面也是用结构力学方法或有限元分析方法按横向框架来计算。当太阳斜晒影响两个壁面温差时,可按叠加原理先分别计算两个方向的温差应力,然后再叠加。

2.日照温差产生的墩顶位移

空心高墩墩顶弹性水平位移包括墩身在荷载作用下的弹性挠曲位移,地基土变形引起的墩顶位移和日照温差作用产生的偏移。前两项计算与一般桥墩相同,现简要介绍日照温差引起的位移计算。对于圆端形空心墩水平位移AR计算式为:

An=HP/2R(2-61)式中:H——墩高(m);Rc——受日照温差而产生的桥墩曲率半径(m)。

矩形空心墩,其墩顶日照水平位移An可近似用下式计算:

4n=4n-Am.H,(2-62)式中:An—一空心墩向阳面伸长量(m);Aa——空心墩背阴面伸长量(m);H,——由水面或地面至墩顶的高度(m);b——桥墩宽度(m)。

对变截面空心墩可分段(A1~A.)计算,然后再计算其总位移量。

(三)空心高墩的局部稳定

空心高墩是一偏心受压构件,其考虑纵向弯曲影响的整体稳定性验算,方法与一般桥墩一样。

空心高墩的局部稳定是指空心墩的薄壁在荷载作用下产生局部的屈曲失稳。模型试验表明,在中心受压和偏心受压作用下,模型发生突然的脆性破坏,在破坏前无明显预兆,试验得到这种局部失稳的临界应力比混凝土中心受压临界应力稍高,也应属于强度破坏。所以,把中心受压时的临界应力值作用局部稳定验算限值是偏于安全的。混凝土空心高墩在中心受压作用下,局部稳定弹塑性临界应力公式为:

圆形空心墩

0。=0.36E1/R(2-63)矩形板壁空心墩

o。=3.615.(÷)(2-64)式中:o。—一弹塑性阶段局部失稳临界应力(MPa);E,——混凝土的弹性模量(MPa);R、b——圆形空心墩曲面半径、矩形墩宽(m);

-—壁厚(m)。

研究空心墩的局部稳定,主要是确定墩身最小壁厚和是否需要设置纵横隔板的问题。模型试验说明,有无横隔板其破坏形态基本相同。因此,一般说来,从空心墩的局部稳定角度来看,可以不必设置横隔板,但对受扭和有横向集中力作用等情况,须另行考虑。从保证局部稳定要求考虑,根据试验资料分析,提出最小壁厚1应满足下式要求:

t≥(1/15~1/10)R(或b)(2-65)

(四)空心高墩的动力影响

空心高墩属高耸结构,在风力和地震作用时,必须保证桥墩具有足够的动力刚度。在高桥墩自振计算中,不考虑阻尼的影响,在计算各振型频率和振型函数时,为了保证高桥墩的动力刚度,对各种振型中的最大自振周期值仍应加以一定的限制。目前我国对高墩的振动机理还处在研究阶段,在尚未制定出具体容许限值情况下,采用下式计算自振周期限值:

T7≤0.25/H(2-66)式中:T7——桥墩自振周期(s);H——桥墩墩顶至基础顶面的高度(m)。

现在一般用能量法计算高墩的自振频率,用柔度矩阵法计算频率和振型,其具体计算方法请参考有关资料。


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