先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁空間整體建模計(jì)算方法探討

李琪勇

（鄭州市市政工程總公司，河南 鄭州 450000）

1 梁格法建?；舅枷?/h2>

梁格法是分析橋梁上部結(jié)構(gòu)比較實(shí)用有效的平面分析方法，概念清晰、易于操作，在橋梁結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛應(yīng)用。梁格法的特點(diǎn)是用等效梁格代替上部結(jié)構(gòu)，分析梁格的受力狀態(tài)得到橋梁的受力狀態(tài)。梁格法需滿足的等效原則是：實(shí)際模型與等效梁格在承受相同荷載時(shí)，產(chǎn)生的撓曲應(yīng)該是相同的；荷載在任意梁格內(nèi)產(chǎn)生的彎矩、剪力、轉(zhuǎn)矩應(yīng)等于梁格所代表實(shí)際結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)力。

這種分析方式適用于板式、梁板式、組合式箱梁、多室寬箱梁等結(jié)構(gòu)形式，與板單元建模方式相比工作量和計(jì)算量均大為減少。梁格法建模時(shí)采用縱向梁格和橫向梁格，分別模擬縱橫向剛度，得出縱橫向內(nèi)力。

2 40m先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁算例

2.1 技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)荷載：公路I級(jí)；橋梁跨徑：40m;橋梁斜度：0。。按公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)一級(jí)設(shè)計(jì)。

2.2 橋梁博士計(jì)算模型

2.2.1 橋型布置

計(jì)算橋梁為4孔40m跨徑，梁高2m，高跨比為1/20。橋面橫坡由預(yù)制箱梁按2%坡度進(jìn)行調(diào)整。橋面寬度：2×凈12.5m。

2.2.2 計(jì)算模型

采用橋梁博士3.1.0計(jì)算。計(jì)算模式為斜彎橋梁模式。全橋四跨，各跨單元?jiǎng)澐执笾孪嗤?，同第一跨。該橋共劃?73個(gè)單元，其中縱梁?jiǎn)卧?440 個(gè)(1～440)，橫梁?jiǎn)卧?333 個(gè)(441～773)，橫梁和縱梁相應(yīng)單元采用相同節(jié)點(diǎn)號(hào)（不同位置）。單元編號(hào)次序?yàn)橄瓤v梁后橫粱從左至右，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為先從上到下再?gòu)淖笾劣??？v梁的單元長(zhǎng)度一般為2m，變截面、端部和支點(diǎn)處根據(jù)構(gòu)造需要?jiǎng)澐謫卧潭?。全橋自重?jì)入縱梁?jiǎn)卧瑱M梁?jiǎn)卧淖灾叵禂?shù)為0，橫梁只起到橫向聯(lián)系的作用?？紤]橋面鋪裝部分參與受力，將6cm厚鋪裝記入縱梁中(由于程序無(wú)法按疊合梁處理，因此采取簡(jiǎn)化方式將主梁頂面直接增加6cm)。在跨中設(shè)置三道橫隔板，截面用T形截面模擬，換算自重系數(shù)為0.467。

施工階段的劃分：按照計(jì)算要求簡(jiǎn)化為4個(gè)施工階段，第一施工階段安裝預(yù)制梁，并張拉正彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束；第二施工階段安裝連續(xù)接頭及橫梁?jiǎn)卧?，并張拉?fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束；第三施工階段為安裝護(hù)欄、橋面鋪裝等二期恒載；第四個(gè)施工階段為混凝土收縮徐變階段，根據(jù)《橋梁博士用戶使用手冊(cè)》4.8.1中說(shuō)明—根據(jù)《公橋設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)的編制理念，使用階段的收縮徐變時(shí)間為“0”天，而將結(jié)構(gòu)的收縮徐變考慮到施工階段中，即添加一個(gè)較長(zhǎng)施工周期，用以完成結(jié)構(gòu)的收縮徐變，而不在使用階段考慮。

2.2.3 約束條件

第一施工階段邊界條件如表1

第二、三、四施工階段邊界條件如表2

2.3 MIDAS CIVIL計(jì)算模型

為驗(yàn)證進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的比較，另外采用空間有限元程序MIDAS CIVIL建模計(jì)算，其模型與參數(shù)取用與上述模型盡可能一致。但由于程序設(shè)定不同模型有所區(qū)別，此項(xiàng)差異對(duì)縱橫向剛度的影響可忽略不計(jì)。

3 結(jié)果對(duì)比分析

我們對(duì)橋梁博士和MIDAS CIVIL的計(jì)算，分別選定支點(diǎn)、1/4跨、跨中、3/4跨等關(guān)鍵位置進(jìn)行了計(jì)算結(jié)果的比較。

首先，看一下兩種模型恒載的計(jì)算結(jié)果的比較，如表3所示。

從兩模型恒載效應(yīng)比對(duì)可以看到，兩模型計(jì)算的恒載效應(yīng)基本是一樣的，這可以認(rèn)為模型和外部約束等條件是一致的，而且對(duì)于靜荷載（恒載），其計(jì)算結(jié)果基本沒(méi)有誤差，完全可以只采用其中的一種作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

對(duì)比兩程序?qū)ν唤孛嫣巻雾?xiàng)荷載效應(yīng)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：支座沉降荷載效應(yīng)，MIDAS模型較橋博模型小8%～10%，而支座沉降荷載效應(yīng)差率基本一致，沒(méi)有突變的現(xiàn)象，是誤差可控的；汽車荷載效應(yīng)兩模型差別相對(duì)較大，對(duì)于邊梁MIDAS模型較橋博模型中支點(diǎn)附近負(fù)彎矩大26%左右；對(duì)于中梁邊支點(diǎn)負(fù)彎大17%左右；梯度升溫效應(yīng)，兩模型差別較小，MIDAS模型較橋博模型計(jì)算結(jié)果小，最小在邊跨中梁1/4跨處約10%，但是其數(shù)值的絕對(duì)值不大。另外，梁格法在一些結(jié)構(gòu)的模型處理上是近似的，這樣的差別也是可以接受的。

因《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)的出臺(tái)，我們對(duì)先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁通用圖做了重新的計(jì)算調(diào)整，計(jì)算是基于梁格法。通過(guò)與MIDAS空間模型的比較，我們可以認(rèn)為，用梁格法計(jì)算的最終配束配筋結(jié)果以及普通鋼筋精確配置是符合受力要求的，并且，摒棄了采用平面桿系有限元程序（活荷載按橫向分配系數(shù)加載）計(jì)算的誤差和預(yù)應(yīng)力配置的盲目。其最終調(diào)整的結(jié)果應(yīng)該是經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化的結(jié)果。

4 結(jié)論

以上算例表明，通過(guò)直接建立空間模型進(jìn)行預(yù)應(yīng)力小箱梁設(shè)計(jì)計(jì)算可以得到相對(duì)精確的結(jié)果，計(jì)算過(guò)程是可行的，最后結(jié)果中不同有限元軟件間的差別也在可以接受的范圍內(nèi)（至少是橋梁博士和MIDAS是如此）。但同時(shí)空間建模過(guò)程中存在以下問(wèn)題：(1)單元與預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量較多，輸入工作量大、出錯(cuò)幾率高；(2)橫向各片梁間相互影響增加調(diào)束難度；(3)施工階段單元與邊界條件轉(zhuǎn)換相對(duì)繁瑣；(4)每次運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)。

鑒于以上分析，具體工程中采用空間建?；蚴瞧矫鏃U系建模應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇。對(duì)于先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁的計(jì)算，梁格法的計(jì)算精度完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

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