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摘 要:本文以一座三跨(50+80+50)m预应力混凝土连续箱梁桥为工程背景,采用空间有限元进行建模分析,得到单箱双室连续箱梁的横梁受力特点,并采用工程中常用的三种简化计算方法进行比较,得到比较合理的简化计算方法。
关键词:单箱双室 箱形梁桥 横梁 简化方法
中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(c)-0087-02
1 前言
预应力混凝土连续箱梁在实际工程中应用广泛,但由于连续箱梁的横梁受力情况比较复杂,空间作用效应明显,要想精确计算横梁的内力必须采用空间受力分析。在实际工程项目中,采用空间分析建模复杂,不便于修改,不方便设计人员采用,所以如何采用简化方法进行计算非常必要。
箱形梁桥的截面形式有单箱单室、单箱多室、斜腹板等,要找到一种统一的简化方法非重困难,而且需以大量的计算分析为基础。本文根据实际工程项目,对直腹板单箱双室连续梁桥的横梁内力做了计算分析,用三种平面简化分析方法的结果与空间有限元分析的结果进行了比较,同时考虑了曲线桥和直线桥的不同受力特点,并对三种简化方法作了分析总结,对于同类工程的计算有重要的实用价值。
2 工程实例
本文以一座三跨预应力砼连续箱梁桥为例,跨径布置为(50+80+50)m,该桥平面上位于半径R＝400m的圆曲线上,支点梁高4.5m,跨中及端支点梁高2.5m,梁高变化曲线为1.8次抛物线。箱梁截面采用单箱双室,箱梁顶宽18.5m,底宽12.5m,悬臂板长3.0m。主梁顶板厚度为25cm,腹板厚度为50cm～70cm,底板厚度为30cm～60cm,端横梁宽1.5m,中横梁宽3.0m。主墩采用双圆形柱式墩,主墩柱径2.2m,桩径2.5m;边墩盖梁式柱式墩,柱径1.8m,桩径2.0m。箱梁一般构造图如下所示:（如图1)
3 计算方法分析
箱梁采用C50混凝土,桥面铺装为10cm沥青混凝土。本文横梁内力计算时分别考虑直线桥和曲线桥(曲线半径R=400m)两种情况,仅考虑主要荷载效应,恒载考虑箱梁自重及桥面铺装,活载采用城－A级荷载,同时考虑对称布载、外侧偏载、内侧偏载三种情况。
3.1 采用空间有限元方法进行横梁内力计算
使用桥梁结构有限元程序《midas civil》建立箱梁梁格计算模型,得到横梁支座反力及横梁内力,表中支座反力不计横梁自重。(如表1)
由表1可以看出,曲线梁桥内外侧支反力相差较大,外侧支反力较大,曲线桥横梁内力比直线桥横梁内力大。由于该曲线桥曲线半径较大,直线桥和曲线桥的支反力合力几乎相等,故以下分析仅以曲线桥来考虑。
3.2 采用三种简化计算方法进行横梁内力计算
通过翻阅大量资料,桥梁工程师常用的简化计算方法有三种:
方法一:认为全部恒载和活载通过箱梁腹板以竖向集中力的形式传递给横梁,首先计算出支座反力,然后均分到每条腹板,把横梁当作简支梁或者连续梁进行计算。
方法二:认为全部恒载和活载以均布荷载的形式传递给横梁,首先计算出支座反力,然后将均布荷载加载到横梁上,把横梁当作简支梁或者连续梁进行计算。均布荷载的计算采用箱室部分长度做为换算长度。
方法三:应该是以上两种方法的综合,以支座反力的70％换算为腹板集中力,支座反力的30％换算为均布荷载。
采用桥梁博士3.0计算软件,建立平面梁单元,取箱室部分长度的横梁进行计算,横梁的计算截面考虑横梁两侧翼板参与受力(翼板的计算长度取6倍的顶板厚度),分别采用以上三种方法计算出横梁的内力。(如表2)
由表1及表2对比可以看出,对于单箱双室箱梁截面,方法一计算的横梁内力跨中较小,支承处较大;方法二计算的横梁内力跨中较大,支承处较小;方法三计算的横梁内力与梁格法的计算结果较接近。
对于中横梁,
跨中:M3/Mlg=23271/23907.8＝0.973
支承处:M3/Mlg外侧=-30415/-26856.4＝1.133
对于端横梁,
跨中:M3/Mlg=5819/7907.6＝0.736
支承处:M3/Mlg外侧=-7414/-7354.3＝1.008
根据以上三种简化计算方法及梁格法的计算结果对比可知,梁格法采用纵梁及横梁有效地考虑了横梁的空间作用效应,简化方法三采用集中力及均布荷载的简化计算模式是比较合理的。
4 结语
本文仅针对此算例的分析得出结论,对于直线桥及大曲线半径的单箱双室箱梁桥,采用集中力及均布荷载的加载方式进行横梁内力计算是可行的。对于小曲线半径的单箱单室连续梁桥及斜交连续梁桥的横梁,由于内外两侧腹板的内力相差较大,对横梁的内力影响较大,计算时应给予充分考虑;对于单箱多室连续梁桥的横梁,由于横梁较长,横梁对腹板的弹性支撑作用明显,横梁内力受到横梁刚度及支座布置的影响较大,以致各腹板所分配的荷载相差较大,建议在拟定横梁宽度时除满足横梁的受力要求外,应适当增加横梁的宽度以增大其刚度,使各腹板受力更加均匀,因为工程设计中对于同一个截面各腹板的配筋形式一般相同。
参考文献
[1] 范立础.桥梁工程(第二版).人民交通出版社,1996.
[2] 戴公连,李德建.桥梁结构空间设计方法与应用.人民交通出版社,2001.
关键词:单箱双室 箱形梁桥 横梁 简化方法
中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(c)-0087-02
1 前言
预应力混凝土连续箱梁在实际工程中应用广泛,但由于连续箱梁的横梁受力情况比较复杂,空间作用效应明显,要想精确计算横梁的内力必须采用空间受力分析。在实际工程项目中,采用空间分析建模复杂,不便于修改,不方便设计人员采用,所以如何采用简化方法进行计算非常必要。
箱形梁桥的截面形式有单箱单室、单箱多室、斜腹板等,要找到一种统一的简化方法非重困难,而且需以大量的计算分析为基础。本文根据实际工程项目,对直腹板单箱双室连续梁桥的横梁内力做了计算分析,用三种平面简化分析方法的结果与空间有限元分析的结果进行了比较,同时考虑了曲线桥和直线桥的不同受力特点,并对三种简化方法作了分析总结,对于同类工程的计算有重要的实用价值。
2 工程实例
本文以一座三跨预应力砼连续箱梁桥为例,跨径布置为(50+80+50)m,该桥平面上位于半径R＝400m的圆曲线上,支点梁高4.5m,跨中及端支点梁高2.5m,梁高变化曲线为1.8次抛物线。箱梁截面采用单箱双室,箱梁顶宽18.5m,底宽12.5m,悬臂板长3.0m。主梁顶板厚度为25cm,腹板厚度为50cm～70cm,底板厚度为30cm～60cm,端横梁宽1.5m,中横梁宽3.0m。主墩采用双圆形柱式墩,主墩柱径2.2m,桩径2.5m;边墩盖梁式柱式墩,柱径1.8m,桩径2.0m。箱梁一般构造图如下所示:（如图1)
3 计算方法分析
箱梁采用C50混凝土,桥面铺装为10cm沥青混凝土。本文横梁内力计算时分别考虑直线桥和曲线桥(曲线半径R=400m)两种情况,仅考虑主要荷载效应,恒载考虑箱梁自重及桥面铺装,活载采用城－A级荷载,同时考虑对称布载、外侧偏载、内侧偏载三种情况。
3.1 采用空间有限元方法进行横梁内力计算
使用桥梁结构有限元程序《midas civil》建立箱梁梁格计算模型,得到横梁支座反力及横梁内力,表中支座反力不计横梁自重。(如表1)
由表1可以看出,曲线梁桥内外侧支反力相差较大,外侧支反力较大,曲线桥横梁内力比直线桥横梁内力大。由于该曲线桥曲线半径较大,直线桥和曲线桥的支反力合力几乎相等,故以下分析仅以曲线桥来考虑。
3.2 采用三种简化计算方法进行横梁内力计算
通过翻阅大量资料,桥梁工程师常用的简化计算方法有三种:
方法一:认为全部恒载和活载通过箱梁腹板以竖向集中力的形式传递给横梁,首先计算出支座反力,然后均分到每条腹板,把横梁当作简支梁或者连续梁进行计算。
方法二:认为全部恒载和活载以均布荷载的形式传递给横梁,首先计算出支座反力,然后将均布荷载加载到横梁上,把横梁当作简支梁或者连续梁进行计算。均布荷载的计算采用箱室部分长度做为换算长度。
方法三:应该是以上两种方法的综合,以支座反力的70％换算为腹板集中力,支座反力的30％换算为均布荷载。
采用桥梁博士3.0计算软件,建立平面梁单元,取箱室部分长度的横梁进行计算,横梁的计算截面考虑横梁两侧翼板参与受力(翼板的计算长度取6倍的顶板厚度),分别采用以上三种方法计算出横梁的内力。(如表2)
由表1及表2对比可以看出,对于单箱双室箱梁截面,方法一计算的横梁内力跨中较小,支承处较大;方法二计算的横梁内力跨中较大,支承处较小;方法三计算的横梁内力与梁格法的计算结果较接近。
对于中横梁,
跨中:M3/Mlg=23271/23907.8＝0.973
支承处:M3/Mlg外侧=-30415/-26856.4＝1.133
对于端横梁,
跨中:M3/Mlg=5819/7907.6＝0.736
支承处:M3/Mlg外侧=-7414/-7354.3＝1.008
根据以上三种简化计算方法及梁格法的计算结果对比可知,梁格法采用纵梁及横梁有效地考虑了横梁的空间作用效应,简化方法三采用集中力及均布荷载的简化计算模式是比较合理的。
4 结语
本文仅针对此算例的分析得出结论,对于直线桥及大曲线半径的单箱双室箱梁桥,采用集中力及均布荷载的加载方式进行横梁内力计算是可行的。对于小曲线半径的单箱单室连续梁桥及斜交连续梁桥的横梁,由于内外两侧腹板的内力相差较大,对横梁的内力影响较大,计算时应给予充分考虑;对于单箱多室连续梁桥的横梁,由于横梁较长,横梁对腹板的弹性支撑作用明显,横梁内力受到横梁刚度及支座布置的影响较大,以致各腹板所分配的荷载相差较大,建议在拟定横梁宽度时除满足横梁的受力要求外,应适当增加横梁的宽度以增大其刚度,使各腹板受力更加均匀,因为工程设计中对于同一个截面各腹板的配筋形式一般相同。
参考文献
[1] 范立础.桥梁工程(第二版).人民交通出版社,1996.
[2] 戴公连,李德建.桥梁结构空间设计方法与应用.人民交通出版社,2001.