CN108505432A

CN108505432A - 无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法

Info

Publication number: CN108505432A
Application number: CN201810274927.2A
Authority: CN
Inventors: 黄培彦; 陈展标; 郑小红; 郭馨艳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: CN108505432B

Abstract

本发明涉及无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，首先确定高墩的墩高H、截面尺寸B、A，并初步拟定高墩的壁厚t；根据判别式计算出空心薄壁高墩横截面的容许宽厚比[b/t]；由容许宽厚比[b/t]确定高墩的临界壁厚，然后采用临界壁厚的值，通过有限元实体模型计算高墩的第1阶弹性稳定系数，然后再求出高墩的第1阶弹性稳定系数的最大值；当实际高墩的第1阶弹性稳定系数大于所述计算高墩的第1阶弹性稳定系数的最大值时，则实际高墩不会发生局部失稳；当实际高墩不发生局部失稳，且实际高墩的容许宽厚比[b/t]满足判别式时，可判定实际高墩不需要设置横隔板。本发明可用于建造无横隔板混凝土空心薄壁高墩，属于混凝土空心薄壁高墩的技术领域。

Description

无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法

技术领域

本发明涉及混凝土空心薄壁高墩的技术领域，尤其涉及无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法。

背景技术

在山区公路建设中，混凝土空心薄壁高桥墩得到了广泛的应用。根据初步调查发现，在西部地区范围已建成或者正在规划设计的中、高等级公路中，墩高超过40m且采用空心薄壁结构的混凝土高墩桥梁占调查总数的40％以上。

对于混凝土高墩的设计，为防止高墩的局部失稳，我国桥梁界一般采取每隔20～30m设置一道横隔板的方式对结构予以加强。但在混凝土空心薄壁高墩的稳定性分析中，一般采用线弹性理论和方法，就算采用非线性分析方法，也没有全面考虑材料和结构的初始缺陷、几何非线性、材料非线性的综合影响，未能清晰地认识到横隔板对局部稳定的作用机理、设置的必要性及设置原则等问题，导致实际工程中高墩横隔板的设置比较随意，往往根据经验判断并进行设置。

对于混凝土高墩的施工，常见的高墩施工工艺要求施工精度高，结构尽量规整、简洁，避免局部突出造成应力集中。当高墩施工至横隔板截面时，需要拆除前阶段内膜，重新安装模板及横隔板钢筋并完成浇筑，方可继续使用升降机具施工。由此可见，横隔板的施工必然造成施工中断，是影响施工工期和施工速度的重要因素。参考以前的工程经验，每个空心薄壁墩的标准段施工速度通常为爬模及翻模法1.5m/天、滑模法4m/天，而每道横隔板的施工时间约为6天，以设置四道横隔板的100m高墩为例，横隔板的施工工期超过高墩施工总工期的25％。

综上所述，目前我国在公路钢筋混凝土桥梁空心薄壁高墩的稳定性分析、设计及施工方面存在以下问题：

1.混凝土空心薄壁高墩局部稳定性分析中，没有全面考虑材料和结构的初始缺陷、几何非线性、材料非线性的综合影响；

2.对横隔板对混凝土空心薄壁高墩局部稳定性的作用机理认识不清，没有建立相应的评价方法；

3.横隔板的存在对高墩的施工造成了较大困难，较大幅度地增加了施工时间；

4.没有建立是否需要设置横隔板的判别方法；

5.没有横隔板的设置原则、方法和设计标准；

6.没有无横隔板混凝土空心薄壁高墩的设计和评价方法。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，可用于建造无横隔板混凝土空心薄壁高墩。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，包括如下步骤：

第一步：首先确定高墩的墩高H、高墩的截面宽度B、高墩的截面高度A、混凝土等级，并初步拟定高墩的壁厚值t；

第二步：根据判别式计算出空心薄壁高墩横截面的容许宽厚比[b/t]，判别式为：

判别式中，λ为线弹性稳定安全系数，η为弹性模量折减系数，E为混凝土的弹性模量，υ为泊松比，f_ck为轴心抗压标准强度，K(H/B)为考虑了初始缺陷的墩高H与截面宽度B的比值对局部稳定容许宽厚比[b/t]的影响系数，K(B/A)为考虑了初始缺陷的截面外轮廓宽高比B/A对局部稳定容许宽厚比[b/t]的影响系数，K(fxx)为材料非线性、几何非线性对局部稳定容许宽厚比[b/t]的影响系数；

第三步：由容许宽厚比[b/t]确定高墩的临界壁厚，然后采用临界壁厚的值，通过有限元实体模型计算高墩的第1阶弹性稳定系数，然后再求出高墩的第1阶弹性稳定系数的最大值；

第四步：当实际高墩的第1阶弹性稳定系数大于第三步中所述的高墩的第1阶弹性稳定系数的最大值时，则实际高墩不会发生局部失稳；

第五步：当实际高墩不发生局部失稳，且实际高墩的容许宽厚比[b/t]满足判别式时，可判定实际高墩不需要设置横隔板。

优选地，混凝土有C30、C40、C50、C60等级；C30等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3073ln(H/B/56.0)，C40等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3409ln(H/B/40.6)，C50等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3638ln(H/B/33.8)，C60等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3883ln(H/B/28.4)；K(B/A)的表达式为K(B/A)＝1.0207(B/A)^0.5649；K(fxx)的表达式为

当K(fxx)＞1.0时，K(fxx)的值取为1.0。

优选地，λ＝4.0，η＝0.8。

优选地，混凝土选用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》记载的C30、C40、C50或C60等级混凝土。

优选地，尺寸b＝B-t，使用记号a，a＝A-t，且满足t/a＜1/5。

优选地，墩高H的范围满足40m≤H≤120m。

优选地，空心薄壁高墩用于公路钢筋混凝土桥梁以及公路预应力混凝土桥梁。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，达到满足稳定性要求、结构简单、力学性能好、施工方便快捷、施工工期短、节省材料、降低成本等效果。

2.给出了混凝土空心薄壁高墩可不设置横隔板的判别式。利用该判别式，可定量计算无横隔板混凝土空心薄壁高墩横截面的容许宽厚比；

3.判别式综合考虑了材料和结构的初始缺陷、几何非线性、材料非线性的影响；

4.明确了混凝土空心薄壁高墩横隔板的设置原则和方法；

5.给出了无横隔板混凝土空心薄壁高墩的设计方法；

6.给出了无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法；

7.无横隔板混凝土空心薄壁高墩的施工性好，工期短，且能节省材料。

附图说明

图1是空心薄壁高墩的横截面示意图。

图2是空心薄壁高墩的竖向截面示意图。

图3是成桥阶段计算模型的示意图。

图4是最大悬臂阶段计算模型的示意图。

图5是C40混凝土的非线性Hognestad本构模型的拟合曲线图。

图6是工况一的高墩第1阶至第10阶屈曲模态图。

图7是工况二的高墩第1阶至第10阶屈曲模态图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，包括如下步骤：

第一步：首先确定高墩的墩高H、高墩的截面宽度B、高墩的截面高度A、混凝土等级，并初步拟定高墩的壁厚值t；截面宽度B、截面高度A为本领域的通用技术用语，即为截面的长宽尺寸。使用记号a和b，且b＝B-t，a＝A-t。

判别式中，λ为线弹性稳定安全系数(λ＝4.0)，η为弹性模量折减系数(η＝0.8)，E为混凝土的弹性模量，υ为泊松比，f_ck为轴心抗压标准强度，K(H/B)为考虑了初始缺陷的墩高H与截面宽度B的比值对局部稳定容许宽厚比[b/t]的影响系数，K(B/A)为考虑了初始缺陷的截面外轮廓宽高比B/A对局部稳定容许宽厚比[b/t]的影响系数，K(fxx)为材料非线性、几何非线性对局部稳定容许宽厚比[b/t]的影响系数。

混凝土有C30、C40、C50、C60等级；C30至C60的K(H/B)的表达式为：

C30等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3073ln(H/B/56.0)，

C40等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3409ln(H/B/40.6)，

C50等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3638ln(H/B/33.8)，

C60等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3883ln(H/B/28.4)；

混凝土等级不影响K(B/A)和K(fxx)。

K(B/A)的表达式为K(B/A)＝1.0207(B/A)^0.5649。

K(fxx)的表达式为：

当桥墩较高时，K(fxx)的值有可能大于1.0，当K(fxx)＞1.0时，K(fxx)的值取为1.0。

第三步：由容许宽厚比[b/t]确定高墩的临界壁厚，然后采用临界壁厚的值，通过有限元实体模型计算高墩的第1阶弹性稳定系数，然后再根据每种典型桥墩的典型载荷，求出高墩的第1阶弹性稳定系数的最大值。

第四步：当实际高墩的第1阶弹性稳定系数大于第三步中所述的高墩的第1阶弹性稳定系数的最大值时，则实际高墩不会发生局部失稳。

第五步：当实际高墩不发生局部失稳，且实际高墩的容许宽厚比[b/t]满足判别式时，可判定实际高墩不需要设置横隔板。即该高墩为无横隔板空心薄壁高墩。

无横隔板空心薄壁高墩的设计计算可按悬臂梁柱模型，采用材料力学方法或有限元方法计算，并按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》验算相关项目。

混凝土选用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2012记载的C30、C40、C50或C60等级混凝土。

壁厚t与截面中面尺寸a之比应满足t/a＜1/5。墩高H的范围满足40m≤H≤120m。空心薄壁高墩用于公路钢筋混凝土桥梁以及公路预应力混凝土桥梁。

高墩横截面的容许宽厚比小于等于其临界值。宽厚比的临界值由综合考虑了材料和结构的原始缺陷、几何非线性和材料非线性而建立的局部稳定性半经验公式确定。实际高墩的第一阶弹性稳定系数应大于由实体模型计算得到的同一稳定系数的最大值。

下面结合实例对本评价方法作更进一步的介绍：

第一步：首先确定墩高H、高墩的截面宽度B、高墩的截面高度A，见图1、图2。例如，取H＝100m，A＝5m，B＝6m。

第二步：初步拟定壁厚t值。例如，t＝1m。由此可算出b＝B-t＝5m，a＝A-t＝4m，b/t＝5。

第三步：确定混凝土材料等级。例如，C40混凝土。由此可查得弹性模量E＝3.25×10⁴MPa，轴心抗压强度标准值f_ck＝26.8MPa，泊松比ν＝0.2。

第四步：由判别式计算空心薄壁高墩的容许宽厚比[b/t]：

由b/t＝5<[b/t]＝14.39，可初步判定实际空心薄壁高墩可以不设置横隔板。

第五步：计算无横隔板高墩的稳定系数：

(1)实际空心薄壁高墩概况及计算参数。实际的空心薄壁高墩为85m+155m+85m连续刚构的主墩，墩顶、墩底分别设置3m、8m高的实心段，全墩不设置横隔板。墩顶3m实心段采用C50混凝土，其余部分均采用C40混凝土。C40混凝土的强度设计值18.5MPa，容重为26kN/m3。为偏安全考虑，忽略了计算模型中普通钢筋的作用。

由[b/t]＝14.39、b＝5m，可求得桥墩的临界壁厚为0.347m，将该尺寸0.347m作为桥墩实体模型的壁厚进行计算。

(2)计算方法

全桥杆系模型(见图3)的计算采用Midas/Civil软件，桥墩实体模型(见图4)的计算采用大型通用有限元软件Ansys。桥墩实心段、墩壁均采用solid65单元模拟。

通过对连续刚构桥桥墩施工阶段、最大悬臂施工阶段及成桥阶段等三个阶段的屈曲分析，求得每个阶段的恒载稳定系数。其中，最大悬臂施工阶段及成桥阶段的恒载稳定系数如表1所示。由表1可知，该桥墩的稳定性由最大悬臂状态控制，其稳定系数为23.6。

表1恒载稳定系数

本次计算对结构按偏安全予以简化，不计入箍筋对混凝土的约束作用，采用无约束混凝土的Hognestad本构模型，如图5所示。高墩的边界条件取为：墩底固结和墩顶自由。初始几何缺陷：将桥塔倾斜度最大允许偏差作为桥墩的初始偏心(初始轴线偏位为墩高的1/3000且不大于30mm)。计算模型初始偏位按沿桥墩高度方向线性变化作简化，墩底为零，墩顶最大。另外，根据外荷载作用下桥墩可能出现的变形方向按最不利工况确定，必要时同时考虑顺桥向和横桥向两个方向的偏位。

计算荷载类型：需要考虑上部恒载、节段重量偏差、施工荷载、桥墩自重、挂篮坠落、日照温差和风荷载。主要设计参数：a)混凝土容重取26kN/m3；b)节段重量偏差按一侧增加2％，另一侧减小2％考虑；c)挂篮坠落较重侧动力系数取1.25，较轻侧取0.85；d)日照温差考虑单边升温10℃，由于日照温差会引起桥墩轴线偏位，故通过杆系模型计算出日照温差作用下墩顶位移量，再施加强制位移到实体模型上的简化处理方式加快有限元计算速度；e)风荷载偏安全地取1/100基本风速，同时计入主梁一侧上扬(较轻侧，取横桥向风压标准值的10％)、顺桥向(取横桥向风压标准值的40％)及横桥向风荷载三个方面的影响。桥墩所受风荷载按横桥向和顺桥向两个方向单独考虑，并通过荷载等效原理换算为均布荷载实现简化计算。

荷载等效：为简化计算，计算模型只考虑桥墩，不考虑上部结构。根据力的等效原理及平移定理，最终作用于桥墩的荷载分为以下五类：a)作用于墩顶截面形心的竖向面力；b)作用于墩顶截面形心的水平面力；c)作用于墩顶截面的弯矩(以竖向面力偶的方式)；d)作用于墩身侧面的风荷载(以面力的方式)；e)桥墩自重(以加速度的方式)。

工况组合：按照表2所示位移或荷载序号，将表2中的序号(1)+(3)+(4)+(5)+(6)+(7)+(8)+(9)+(12)组合起来，称为工况一，将表2中的序号(2)+(3)+(4)+(5)+(6)+(7)+(10)+(11)组合起来，称为工况二。即工况一和工况二的荷载(位移)组合为：

工况一：(1)+(3)+(4)+(5)+(6)+(7)+(8)+(9)+(12)；

工况二：(2)+(3)+(4)+(5)+(6)+(7)+(10)+(11)。

表2墩顶初始位移及等效荷载统计结果

(3)稳定计算结果

a)实体模型的弹性稳定(特征值)：采用(2)中的计算方法，通过对工况一和工况二下实体模型的弹性稳定(特征值)分析，可求得该主墩在临界壁厚条件下的第一阶弹性稳定系数的最大值为21.3。

b)实际高墩的弹性稳定(特征值)：通过对实际高墩(其横截面尺寸如图2所示)在工况一和工况二下的弹性稳定(特征值)分析，可分别得到前10阶稳定特征值的计算结果(图6和图7)。由图6和图7可知，无论是工况一还是工况二，前7阶屈曲模态均表现为整体失稳，直到第8阶才出现局部失稳，均为墩底实心段顶局部外凸。然而，即使考虑了非线性的影响，其稳定系数仍然较大，说明实际上不会发生局部失稳。对实际工程而言，只有第一阶的稳定系数才具有意义。本实际高墩的第一阶弹性稳定系数为25.2，大于由实体模型所求得的同一稳定系数的最大值。

综合判别式的计算结果和上述b)中的实际高墩的第一阶弹性稳定系数的分析结果，可判定实际高墩的空心薄壁高墩可以不设置横隔板。

c)实际高墩的非线性(几何及材料双重非线性)稳定：在工况一的弹性稳定分析的基础上，引入几何非线性及材料非线性(见图5)，计算得到该桥墩的非线性稳定系数为8.95，约为弹性稳定时的35％。对于工况二，计算得到该桥墩的非线性稳定系数为9.60，同样约为弹性稳定时的35％。无论是工况一还是工况二，其非线性稳定系数都远大于4.0(斜拉桥设计细则的规定值)，这又一次说明实际高墩(无横隔板空心薄壁高墩)的稳定性足够。

结构强度、刚度验算。上述容许宽厚比[b/t]及稳定系数计算结果均表明，本实际高墩无需设置横隔板。为此，下面将按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》验算结构强度、刚度等项目。根据上述计算模型和计算方法，可求得在最不利工况下墩壁的最大应力远小于C40混凝土的强度设计值。而且，高墩的刚度也满足设计规范的要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.按照权利要求1所述的无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，其特征在于：混凝土有C30、C40、C50、C60等级；C30等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3073ln(H/B/56.0)，C40等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3409ln(H/B/40.6)，C50等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3638ln(H/B/33.8)，C60等级混凝土的K(H/B)的表达式为K(H/B)＝1+0.3883ln(H/B/28.4)；K(B/A)的表达式为K(B/A)＝1.0207(B/A)^0.5649；K(fxx)的表达式为当K(fxx)＞1.0时，K(fxx)的值取为1.0。

3.按照权利要求1所述的无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，其特征在于：λ＝4.0，η＝0.8。

4.按照权利要求1所述的无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，其特征在于：混凝土选用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》记载的C30、C40、C50或C60等级混凝土。

5.按照权利要求1所述的无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，其特征在于：尺寸b＝B-t，使用记号a，a＝A-t，且满足t/a＜1/5。

6.按照权利要求1所述的无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，其特征在于：墩高H的范围满足40m≤H≤120m。

7.按照权利要求1所述的无横隔板混凝土空心薄壁高墩的评价方法，其特征在于：空心薄壁高墩用于公路钢筋混凝土桥梁以及公路预应力混凝土桥梁。