斜交角及支座脫空對鉸接板梁橋橫向分布系數(shù)影響的研究

李中連

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410015)

0 前言

在實(shí)際的橋梁工程中，裝配式板梁橋由于具有能就地取材、工業(yè)化施工、耐久性好、適應(yīng)性強(qiáng)、整體性好以及美觀等優(yōu)點(diǎn)在我國的公路橋梁中占有很大的比重［1，2］。當(dāng)該類橋梁用于高等級公路時，為了服從線路的總走向，而將橋梁的中軸線與水流方向設(shè)計成斜交。同時，由于橡膠支座具有結(jié)構(gòu)形式簡單、造價低廉、施工方便、養(yǎng)護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)而往往成為該類橋梁支座的首選。但是在長期工程實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計、施工及運(yùn)營維護(hù)不當(dāng)?shù)仍颍鹉z支座也常存在局部及完全脫空等病害［3，4］。

在裝配式板梁橋的設(shè)計、分析和結(jié)構(gòu)試驗中，橫向分布系數(shù)是一個很重要的分析內(nèi)容，目前已有的方法主要有［5，6］:剛接(鉸接)板梁法、比擬正交異性板(G－M)法及空間有限元法等。相對于空間有限元法而言，前幾種方法都是基于橋梁正交且梁端支座為理想支撐狀態(tài)，當(dāng)實(shí)際橋梁為斜交且存在支座脫空時，這些方法顯然并不是完全適合;而對于空間有限元法而言，隨著有限元理論的不斷完善以及大型通用程序(如 ANSYS、MARC、ADINA 等)功能的持續(xù)擴(kuò)展，采用各種類型的單元(如梁單元、板殼單元以及實(shí)體單元等)可以將分析對象根據(jù)不同的需要進(jìn)行模擬，對于荷載橫向分布系數(shù)的求解，可以采用空間梁單元來進(jìn)行計算分析，對于橋梁是否正交以及支座是否脫空均可進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，其計算結(jié)果也將更符合實(shí)際情況。

為探求斜角及支座脫空對裝配式板梁橋橫向分布系數(shù)的影響，本文以一座單跨簡支鉸接空心板橋為例，采用大型有限元通用程序ANSYS 建立空間模型，對此進(jìn)行比較和研究。

1 工程概況

某單跨簡支鉸接空心板橋，計算跨徑為12.60 m，橋面凈空:凈 7(行車道)+2 ×1 m(人行道)，全橋跨由9 塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板組成，橋的橫截面布置及空心板橫斷面如圖1所示。

圖1 橋梁橫截面及空心板橫斷面(單位:cm)

在本文分析中，對斜交角和支座脫空對鉸接空心板橋橫向分布系數(shù)的影響分別考慮。對于斜交角，本文參照有關(guān)資料，選取具有代表性的4 種斜交角(0°、15°、30°和 45°)組成。對于支座脫空，分析中采用正交橋梁，研究邊板支座失效對相鄰各板橫向分布系數(shù)的影響。

2 計算方法及模型

如前述，本文采用空間有限單元法來計算鉸接空心板橋的橫向分布影響線，對于一跨含有k 塊板的橋，在利用空間梁單元建立有限元模型后，假如在第i 塊板跨中作用一個單位集中荷載，通過有限元計算可以得到所有板在跨中的彎矩，將第j 塊板的彎矩記為mji，移動單位荷載位置，顯然就可以得到所有的 mji，i、j=k，至此就能利用 mij求出各片空心板的荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值，即:

式中:i 為計算點(diǎn)對應(yīng)的空心板片編號;j 為單位荷載作用的空心板節(jié)點(diǎn)編號。

對于本文研究的裝配式鉸接空心板梁橋，它所具有的一個最重要的工程特點(diǎn)，就是在橫橋向空心板通過現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫與相鄰的空心板連接，盡管各板間橫向具有一定的連接構(gòu)造，但由于其連接剛度又很薄弱，在跨中荷載橫向分布系數(shù)計算時一般都基于橫向鉸接板理論來進(jìn)行計算。因此，在采用基于有限元方法的商業(yè)程序來進(jìn)行裝配式鉸接空心板梁橋的荷載橫向分布系數(shù)計算時也必須考慮到這一特點(diǎn)。本文在采用ANSYS 程序?qū)︺q接空心板橋進(jìn)行有限元建模時，對于空心板采用能夠賦予截面屬性的Beam188 單元建立，由于鉸接空心板橋的板和板之間是依靠只能傳遞剪力，而不能傳遞彎矩的鉸縫進(jìn)行連接的，因此在建模時必須充分考慮到此種情況。考慮到BEAM44 單元具有通過設(shè)置Keyopt 值的屬性來進(jìn)行單元節(jié)點(diǎn)放松的特點(diǎn)，因此在有限元模型中采用BEAM44 單元建立剛性鏈桿來模擬鉸縫，且該類單元的J 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動全部放松，這樣就實(shí)現(xiàn)了對鉸縫的有效模擬，計算中空心板和鉸縫所采用的材料及截面幾何特性值見表1，斜交角為0°(實(shí)際上就是正交橋)時的有限元計算模型如圖2所示，圖3則為橋梁正交情況下單位移動荷載作用于1 號板跨中時橋的變形圖。

表1 計算特性值

圖2 有限元模型圖

圖3 橋梁變形圖

3 斜交角及支座脫空對橫向分布系數(shù)的影響

3.1 斜交角的影響

如前述，為得到各種斜交角情況下的荷載橫向分布系數(shù)，須先求出各塊板在單位移動荷載下的彎矩值后再進(jìn)行相關(guān)的計算。以1 號板為例，將單位移動荷載分別作用于1 至9 號板的跨中且分別進(jìn)行有限元計算，就可得到所需的1 號板跨中彎矩值，表2列出了在幾種斜交角下單位荷載作用在不同板跨中時1#板跨中彎矩值。

表2 單位荷載作用下1#板跨中彎矩值

據(jù)此，利用式(1)不難得到所有板的荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值，表3示出了2 號板的相應(yīng)值。

應(yīng)當(dāng)指出的是，利用式(1)計算的上述影響線豎標(biāo)值是根據(jù)跨中彎矩比值計算出來的，如將跨中彎矩?fù)Q成跨中豎向位移，會發(fā)現(xiàn)2 種方法得到的影響線豎標(biāo)值差值很小。

為求得各塊板的荷載橫向分布系數(shù)，根據(jù)上述表中各塊板的荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值，將其按一定比例尺繪于各號板的下方，用圓滑的曲線連接，即可得到各塊板的荷載橫向分布影響線，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行橫向最不利布載，進(jìn)而求出各塊板的荷載橫向分布系數(shù)，圖4為橋梁正交情況下2 號板的橫向分布影響線豎標(biāo)曲線及荷載布置圖。

表3 2#板荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值

圖4 1號板橫向分布影響線豎標(biāo)曲線及荷載布置

同樣，對其余每塊板根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行汽車橫向最不利布載，可得到每塊板在兩車道汽車荷載作用下橫向分布系數(shù)值，圖5示出了各種斜交角度下1#至5#板的汽車荷載橫向分布系數(shù)值。

從圖5可看出，除1#板的汽車荷載橫向分布系數(shù)值隨著斜交角度值增大減小以外，其余各塊板的橫向分布系數(shù)值隨著斜交角度值增大均不同程度地增大;從值的變化比例而言，對于正交與斜交45°兩種情況，1#板的橫向分布系數(shù)值減小了37.2%，而2#板、3#板、4#板和 5#板則分別增加了 16.1%、16.1%、25.6%和27.3%，但對橫向分布系數(shù)值的順序而言，斜交與正交情況下完全相同。

圖5 各種斜交角度下荷載橫向分布系數(shù)值

3.2 支座脫空的影響

本文僅考慮橋梁在正交情況下發(fā)生邊板支座脫空失效，計算中用解除支座處的豎向約束模擬支座脫空。按照上述分析斜交時的思路進(jìn)行同樣的分析。

作為區(qū)別，支座脫空下的荷載橫向分布系數(shù)基于跨中豎向位移進(jìn)行分析，圖6為邊板支座脫空時單位移動荷載作用于1 號板時的橋梁變形圖。圖7列出了邊板支座脫空時1#至5#板的汽車荷載橫向分布系數(shù)值，作為比較，也列出了無支座脫空時1#至5#板的汽車荷載橫向分布系數(shù)值。

圖6 邊板支座脫空時橋梁變形圖

圖7 邊板支座脫空時荷載橫向分布系數(shù)值

從圖7可看出，各板的汽車荷載橫向分布系數(shù)值受邊板支座脫空的影響均比較大。

4 結(jié)論

本文采用大型通用商業(yè)程序ANSYS 中的空間梁單元，建立了裝配式鉸接空心板梁橋的空間有限元模型，對該類橋梁工程實(shí)際中所存在的斜交角度和支座脫空對板荷載橫向分布系數(shù)的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，無論是斜交角度還是支座脫空，均對板的荷載橫向分布系數(shù)值有較大影響，在新橋設(shè)計、靜載試驗或加固設(shè)計中必須予以足夠重視。

［1］邵旭東.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2005.

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［3］周明華，葛寶翔.公路橋梁橡膠支座的使用壽命與應(yīng)用對策［J］.土木工程學(xué)報，2005，38(6):92 －96.

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［5］顏東煌.橋梁結(jié)構(gòu)電算程序設(shè)計［M］.長沙:湖南大學(xué)出版社，1999.

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