一座典型無梁板橋的結(jié)構(gòu)分析

梁傳波 薛愛華

1 概述

無梁板橋是用樁柱式下部構(gòu)造直接支承連續(xù)板式的上部構(gòu)造,樁柱頂上沒有蓋梁,因而稱為無梁板橋。此種結(jié)構(gòu)在房屋建筑上常有使用,如無梁樓蓋。由于房屋建筑以靜載為主,計(jì)算較方便。對(duì)于橋梁,由于活載計(jì)算相對(duì)復(fù)雜,因而過去較少采用。

隨著橋梁計(jì)算軟件的普及應(yīng)用,結(jié)構(gòu)計(jì)算手段更加先進(jìn),加之高程、環(huán)境及地形的特殊要求,無梁板橋逐漸為設(shè)計(jì)人員所采用。對(duì)于十分復(fù)雜的橋位條件和橋梁平面形狀,無梁板橋成為中小跨徑橋梁中較為經(jīng)濟(jì)合理的橋型之一。

現(xiàn)在常用的橋梁有限元分析計(jì)算軟件有SAP5、橋梁博士、MIDAS等,為設(shè)計(jì)工作帶來了極大便利。

2 無梁板橋有限元分析

早期利用SAP5計(jì)算無梁板橋常用如下幾種方法:

1)兩步計(jì)算法:最初設(shè)計(jì)計(jì)算無梁板橋時(shí)常用這種方法。先將整個(gè)無梁板橋視為一個(gè)剛構(gòu),計(jì)算在垂直荷載和水平荷載作用下下部構(gòu)造墩柱的受力,再將板單獨(dú)作為上部結(jié)構(gòu),計(jì)算在垂直荷載作用下的內(nèi)力,此時(shí)墩柱按其剛度轉(zhuǎn)化為邊界約束。2)簡(jiǎn)化兩步計(jì)算法:先按兩步計(jì)算法計(jì)算,再用算得的邊界反力作為荷載加到墩柱上計(jì)算墩柱的內(nèi)力,計(jì)算大為簡(jiǎn)化而有同等精度。對(duì)于一般無梁板橋的計(jì)算,采用此法簡(jiǎn)便適宜。3)空間一次計(jì)算法:將墩柱和板作為空間整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,上、下部?jī)?nèi)力可一次算出,但前后處理均較復(fù)雜。4)特殊計(jì)算:將墩柱和柱頂厚板區(qū)域用空間單元?jiǎng)澐?以探究其內(nèi)力分布狀況,一般在有特殊研究需要時(shí)采用。

對(duì)于無梁板橋,特別是復(fù)雜情況下的無梁板橋,單元的劃分是結(jié)構(gòu)分析計(jì)算重要的環(huán)節(jié)。本文采用梁格法分析計(jì)算,分別利用MIDAS和橋梁博士建立有限元分析模型,進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比校驗(yàn)。

3 結(jié)構(gòu)尺寸與計(jì)算圖式的擬定

在某廣場(chǎng)建成的四座橋梁中,三號(hào)橋因平面形狀復(fù)雜而最具代表性,以下結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算以三號(hào)橋?yàn)槔?/p>

該橋橋位處河道寬16 m,兩側(cè)擋土墻使用良好,設(shè)計(jì)時(shí)作不拆除考慮。本橋面板為異形板,為了適當(dāng)提高墩柱的柔性,采用3 m高直徑60cm的墩柱,下接直徑100cm的墩樁。

3.1 結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

在有限元?jiǎng)澐謺r(shí),采用梁格法。它的主要思路是將結(jié)構(gòu)用一個(gè)等效梁格來模擬。將分散在板或梁的每一區(qū)段內(nèi)的抗彎剛度和抗扭剛度集中于鄰近的等效梁格內(nèi),實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi),而橫向剛度集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)。全橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1。

3.2 單元?jiǎng)澐?/h3>

對(duì)于單元的劃分較為繁瑣。在劃分時(shí)遵循以下規(guī)則:

1)先對(duì)橫梁(以車輛行駛方向?yàn)榭v梁,垂直于車輛行駛方向?yàn)闄M梁)進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧Ｓ捎趥?cè)向兩端平行,橫梁較為規(guī)則,劃分網(wǎng)格時(shí)設(shè)橫梁寬100cm。2)縱梁的劃分需考慮的問題較多。首先,該橋?qū)儆谲嚵鹘豢椀囟?其次,如按實(shí)際板形劃分,則縱梁左右截面都不同,輸入數(shù)據(jù)龐大,在劃分時(shí)按規(guī)整的單元考慮,即梁寬為 100cm;最后,考慮到板邊效應(yīng),對(duì)于兩側(cè)的縱梁,按規(guī)整單元?jiǎng)澐?寬度不大于一個(gè)車道寬(300cm)。3)墩柱頂中心為縱橫梁交叉處。4)在墩柱頂板單元應(yīng)加密,為了分析精度,本例將墩柱頂按柱頂托板1/4劃分。5)下部結(jié)構(gòu)分為墩柱單元和淤泥層底以上的墩樁單元。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算及對(duì)比校驗(yàn)

根據(jù)JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范第4.1.6及4.1.7條規(guī)定,進(jìn)行效應(yīng)組合。對(duì)比MIDAS、橋博計(jì)算結(jié)果可知,總體計(jì)算結(jié)果相近,承載能力極限狀態(tài)基本組合最大剪力相差5.2%,其余各組合下效應(yīng)值相差幅度均在4%以下。

兩種有限元程序各有特點(diǎn),二者除活載加載表述方式略有差別外,其計(jì)算原理基本相同。前處理表現(xiàn)手法的不同導(dǎo)致結(jié)果有一定差異,但總體趨勢(shì)統(tǒng)一,結(jié)果合理,可滿足工程所需精度要求。

4 重要技術(shù)問題的探討

4.1 上部板梁對(duì)鋼纖維混凝土的應(yīng)用

目前在橋臺(tái)伸縫兩側(cè)局部范圍的二次澆筑混凝土基本上都采用鋼纖維混凝土,在混凝土橋面鋪裝上也常有使用,對(duì)于橋面現(xiàn)澆板采用鋼纖維混凝土相對(duì)較少。本橋板梁材料采用鋼纖維混凝土不僅能提高結(jié)構(gòu)斜截面的抗剪強(qiáng)度,而且可大大提高混凝土的抗拉、抗裂能力,值得推廣使用。

4.2 結(jié)構(gòu)分析時(shí)墩樁邊界條件的簡(jiǎn)化處理

針對(duì)該橋的地質(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造情況,采用幾種簡(jiǎn)化墩柱邊界情況:1)在墩柱底采用固結(jié)約束;2)在地質(zhì)報(bào)告中③層淤泥、淤泥質(zhì)粘土(灰色,土質(zhì)均勻細(xì)膩,飽和,局部夾粉砂薄層或團(tuán)塊,流塑。場(chǎng)區(qū)普遍分布,厚度:7 m～8 m,工程地質(zhì)性質(zhì)極差)層底處的墩樁作固結(jié)約束處理;3)在淤泥層底以下3 m采用固結(jié)約束(本層及以下土層,工程地質(zhì)性質(zhì)一般～較好);4)在淤泥層底以下6 m采用固結(jié)約束;5)在淤泥層底以下9 m采用固結(jié)約束(此處已到強(qiáng)風(fēng)化片麻巖層)。

表1 幾種邊界條件承載能力極限狀態(tài)彎矩匯總 kN?m

由表1中數(shù)據(jù)結(jié)果顯示對(duì)墩樁作固結(jié)處理位置,從墩柱底至淤泥層底變化較大;從淤泥層底至其下9 m范圍變化較小:其中最大負(fù)彎矩絕對(duì)值減小6.1%,最大正彎矩增加4.2%。結(jié)合地質(zhì)情況,在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),采用在淤泥層底處對(duì)墩樁作固結(jié)處理,既簡(jiǎn)化了計(jì)算,又能得到較好反映實(shí)際結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的結(jié)果。需要注意的是在板的正彎矩區(qū)配筋時(shí),應(yīng)適當(dāng)加大受拉區(qū)的配筋。

5 結(jié)語

1)利用MIDAS和橋梁博士分別建立模型,采用梁格法進(jìn)行單元?jiǎng)澐?進(jìn)行該橋的持久狀況承載能力極限狀態(tài)和持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。兩種軟件計(jì)算結(jié)果相近:持久狀況承載能力極限狀態(tài)基本組合下最大剪力相差5.2%,其余各組合下效應(yīng)值相差幅度均在4%以內(nèi)。2)板梁材料采用鋼纖維混凝土不僅能提高結(jié)構(gòu)斜截面抗剪強(qiáng)度,而且可大大提高混凝土抗拉能力。3)在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),對(duì)于墩樁邊界條件的簡(jiǎn)化處理,采用在淤泥層底處對(duì)墩樁做固結(jié)處理,簡(jiǎn)化了計(jì)算,且能得到較好反映實(shí)際結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的結(jié)果。

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