梁格法在橋梁上部結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

摘要:隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其是高速公路高架道路的日益增多，為了滿足交通運(yùn)輸快速順暢的要求，斜橋得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但斜橋的受力特性比直線橋梁復(fù)雜得多，對其選擇合適的方法進(jìn)行分析是保證工程質(zhì)量和控制造價的關(guān)鍵。介紹了各種橋梁結(jié)構(gòu)彈性空間內(nèi)力分析方法，重點(diǎn)論述了梁格法的基本原理，并以某連續(xù)箱梁橋為例，采用Midas 大型通用有限元軟件進(jìn)行模型的梁格法分析，計算結(jié)果表明，梁格法是橋梁結(jié)構(gòu)空間分析的一種有效方法，適用于各種斜、彎箱梁橋的計算。

關(guān)鍵詞:梁格法；結(jié)構(gòu)分析；斜梁橋；彈性空間；橋梁結(jié)構(gòu)

1 橋梁結(jié)構(gòu)彈性空間內(nèi)力分析方法簡介

目前橋梁結(jié)構(gòu)彈性空間內(nèi)力分析通用的方法主要有梁單元法、板殼元法、三維實體元法以及梁格法。其中，梁單元法的特點(diǎn)是能直接給出計算截面的內(nèi)力和變形。但在進(jìn)行寬箱梁橋分析時有很大的局限性。首先，寬梁橋不滿足其基本假定;其次，該方法不能得到內(nèi)力的橫向分布。板殼元法在分析混凝土箱梁橋時，一般用板殼元法模擬結(jié)構(gòu)頂、底板誤差不大，而橫梁尺寸一般比頂、底板大得多，用板殼元法模擬其受力，誤差較大。由于橋梁結(jié)構(gòu)施工過程復(fù)雜，又承受汽車或列車活載作用，用此法求各種工況下的最不利情況，計算工作量巨大，在應(yīng)用上受到很大的限制。三維實體元法優(yōu)點(diǎn)是與實際模型最接近，不需要計算橫截面的形心、剪力中心、翼板有效寬度，截面的畸變、翹曲自動考慮;缺點(diǎn)是輸出的是梁橫截面上若干點(diǎn)的應(yīng)力，不能直接用于強(qiáng)度計算，且模型復(fù)雜，計算費(fèi)用高，數(shù)據(jù)處理繁瑣。梁格法是分析橋梁上部結(jié)構(gòu)比較實用有效的空間分析方法。它的特點(diǎn)是用等效梁格來代替橋梁上部結(jié)構(gòu)，分析梁格的受力狀態(tài)就可得實橋受力狀態(tài)。它不僅適用于板式、梁板式及箱梁截面的上部結(jié)構(gòu)，而且對分析彎、斜梁橋特別有效。梁格法計算費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，結(jié)果提取方便并能與現(xiàn)行橋規(guī)匹配，在工程分析中得到了

2 梁格法的基本原理

梁格法實質(zhì)是用一個等效的梁格來代替橋梁上部結(jié)構(gòu)，是一種以梁為基本單元的有限元法。這種方法概念明確，容易理解和使用，也比較容易操作，計算速度也比較快?，F(xiàn)有的計算曲線梁梁橋軟件，如同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的“橋梁博士”和廣州阿安畢公司開發(fā)的“3DBSA”，都采用了梁格法。梁格法的主要思路就是將上部結(jié)構(gòu)用一個等效的平面梁格或空間構(gòu)架來模擬。將分散在板式或箱梁每一區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi)，而橫向剛度則集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)。分析此平面梁格或空間構(gòu)架就可得到實際橋梁上部結(jié)構(gòu)縱橫向內(nèi)力和變形。對于箱形截面而言，若以腹板為單位劃分梁格，就可以獲得腹板的受力特征，直接用于腹板的配筋計算，這樣就避免了利用空間梁元和空間箱形梁元分析時必須對各腹板進(jìn)行內(nèi)力橫向分配的環(huán)節(jié)，使設(shè)計簡單易行。梁格法最關(guān)鍵之處在于其與上部結(jié)構(gòu)的等效性，即在相同荷載作用下，做到二者間內(nèi)力和變形相同，因等效與否將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)分析的精度，所以梁格的劃分就很重要。建立空間梁格模型時，要視上部結(jié)構(gòu)斷面形式的不同進(jìn)行不同形式的梁格單元劃分和截面特性計算，劃分過程均需遵循等效性原則。

梁格模型梁格的劃分應(yīng)綜合考慮以下因素:

2.1為了得到每條腹板各個截面的設(shè)計彎矩和設(shè)計剪力，在每條腹板處設(shè)置縱向單元。為了加載的方便，在懸臂端部設(shè)置虛擬的縱向單元。

2.2梁格的縱向桿件形心高度位置應(yīng)盡量與箱梁截面的形心高度相一致，縱橫桿件的中心與原結(jié)構(gòu)梁肋的中心線相重合，使腹板剪力直接由所在位置的梁格構(gòu)件承受。

2.3橫向單元應(yīng)與縱向單元垂直，一般在跨中，1/ 4 跨，1/ 8 跨，支座處，橫格梁處設(shè)置橫向單元。橫向單元的間距直接決定了荷載在縱向單元之間的傳遞，間距過大會使相鄰縱向單元間的力產(chǎn)生很大跳躍;間距太密又會大大增加工作量，也毫無必要。為保證荷載的正確傳遞，最大間距不能超過相鄰兩個反彎點(diǎn)間距的1/ 4 ，在支點(diǎn)的附近應(yīng)適當(dāng)加密。

2.4縱梁抗扭剛度的計算按整體箱形斷面自由扭轉(zhuǎn)剛度平攤到各縱梁上。

2.5預(yù)應(yīng)力鋼筋在梁肋中的布置應(yīng)特別引起注意。對于整個箱梁截面而言，預(yù)應(yīng)力鋼筋是對稱配置的。由于梁格劃分后邊肋幾何形狀的非對稱性，此時按設(shè)計位置布置預(yù)應(yīng)力鋼束，在邊肋中將產(chǎn)生較大的平面外彎矩，這顯然與實際受力情況不符，在計算結(jié)果的分析中應(yīng)扣除平面外彎矩產(chǎn)生的效應(yīng)。

3算例分析

結(jié)合上述理論分析基礎(chǔ)，現(xiàn)以某2×27m+23m跨連續(xù)箱梁橋為例，采用Midas大型通用有限元軟件進(jìn)行模型的梁格法分析。此連續(xù)箱梁橋?qū)挒?5.1m～35.4m，采用單箱三室向單箱六室過渡。在進(jìn)行梁格法分析之前先對模型斷面作處理，各縱梁斷面如圖1：通過計算，得出4號縱梁上5號支點(diǎn)處內(nèi)力值最大。此處彎矩值為10 619kN·m，剪力值為2 132kN。由梁格法計算分析得出的結(jié)果比較合理，而且符合實際情況。

結(jié)語：梁格法是橋梁結(jié)構(gòu)空間分析的一種有效方法，由于其具有基本概念清晰，易于理解和使用的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種斜、彎、寬等異型箱梁橋計算中。雖然梁格的等效性只能是近似的，但它能夠把握住結(jié)構(gòu)的總體性能，在橋梁寬跨比較大時，是一種精度較高的分析方法。

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