一種判別多梁橋橫向連接弱化的新方法

李自華

(河北省高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066000)

橋梁的橫向分布系數(shù)對于判別橋梁構(gòu)件的空間狀態(tài)具有非常重要的意義。一般來說，整體性好的橋梁，其橫向分布系數(shù)往往較小;反之，整體性較差的橋梁，其橫向分布系數(shù)會比較大。在工程實(shí)踐中，一般的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋往往需要根據(jù)橋梁工程的施工過程特點(diǎn)、構(gòu)造設(shè)計(jì)等的不同采取不同類型的橫向結(jié)構(gòu)。因此，對于各種不盡相同的橫向結(jié)構(gòu)類型，必須以相應(yīng)的橫向結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算模型為基本，從而用相應(yīng)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而使得荷載橫向分布的計(jì)算能更好地適應(yīng)各種類型的結(jié)構(gòu)特性。

本文首先針對一類具有代表性的典型的荷載橫向分布計(jì)算方法——(修正)偏心壓力法，給出一種新的公式計(jì)算方法;然后，給出一種基于相鄰橫向分布系數(shù)差的橫向連接判別指標(biāo)，并給出了該指標(biāo)的判別依據(jù)。

1 一種偏心壓力法橫向分布系數(shù)的新算法

通過分析歸納總結(jié)橋梁結(jié)構(gòu)受荷之后各縱向主梁的變形(比如撓度)規(guī)律，我們可以觀察到，這些主梁在上述啟程荷載作用下所處的受力狀態(tài)幾乎就與我們所用的一般材料力學(xué)中桿件的偏心受壓的受力情況高度的類似。因此，我們將橋梁空間結(jié)構(gòu)中橫梁簡化為剛性梁，且將這些剛性梁都被簡化為剛支撐在各片主梁上面的連續(xù)剛體，從而來計(jì)算荷載的橫橋方向的分布系數(shù)，這種方法被稱為“偏心壓力法”。又鑒于我們在上述方法中采取了橋梁的空間結(jié)構(gòu)中的橫隔梁的剛度為無窮大的假設(shè)，因此這種方法也被稱作“剛性橫梁法”。

剛性橫梁法作為梁格法中的一個(gè)比較常用且典型的特例，它把待分析計(jì)算的梁橋結(jié)構(gòu)簡化成了梁格系模型進(jìn)行分析和計(jì)算，而這個(gè)梁格系是由縱橋方向的主梁和與之相交的橫橋方向的橫梁所共同組成的，時(shí)間在橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載是通過該模型中的橫梁，從某一縱向主梁傳遞到其他的縱向主梁上面去，而且與此同時(shí)，這些縱橋方向的主梁又對這些橫橋方向的橫梁提供了彈性支撐，從而使得它們具有協(xié)同工作的能力。剛性橫梁法是剛接梁法的一種極端情況，也就是說，如果在剛接梁法中為橫梁的抗彎慣矩設(shè)定一個(gè)較大數(shù)值即為“剛性橫梁法”。

1.1 橋梁模型

本文采用偏心壓力法以及修正偏心壓力法對公路橋梁荷載橫向分布特性進(jìn)行研究時(shí)，所采取的橋梁模型是由n片主梁構(gòu)成的簡支梁橋，該簡支梁橋橫截面如圖1所示。

主梁編號依次為1號、2號、…、N號，相鄰兩片主梁之間的間距為l0。

1.2 橫向分布系數(shù)的新算法

1)只受一個(gè)荷載作用的情況。

設(shè)上述橋梁結(jié)構(gòu)僅受到一個(gè)單位荷載P=1的作用，其作用位置在梁跨中，作用點(diǎn)距離1號主梁(邊梁)軸線為x。第i號主梁軸線到橋梁橫截面的中點(diǎn)的距離記作梁位ai。則其計(jì)算簡圖如圖2所示。

如果采用偏心壓力法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，對于任意一片主梁(記為i號主梁)，其荷載橫向影響線的兩個(gè)控制豎標(biāo)值ηi1和ηin分別為:

荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值ηi為:

其中，x0i為影響線零點(diǎn)位置。將式:代入式(3)，得i號主梁荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值ηi的表達(dá)式:

由于橋梁只受一個(gè)荷載的作用，且作用點(diǎn)距離1號主梁(邊梁)軸線為x，因此上述ηi的表達(dá)式即為i號主梁所承受的荷載橫向分布系數(shù)mi的表達(dá)式:

由式(5)可進(jìn)一步得到i號主梁和i+1號主梁所承受的荷載橫向分布系數(shù)其變化率的絕對值為:

2)受到多個(gè)荷載作用的情況。

設(shè)圖1所示橋梁受到k個(gè)單位荷載的作用，且其作用位置依然在橋梁的跨中位置，作用點(diǎn)到1號主梁(邊梁)軸線的距離分別為 x1，x2，…，xk－1，xk。梁位 ai為橋梁橫截面中點(diǎn)到 i號主梁軸線的距離。計(jì)算簡圖如圖3所示。

圖1 橋梁模型橫截面示意圖

圖2 橋梁只受到一個(gè)荷載作用的情況

圖3 橋梁受到多個(gè)荷載作用的情況

采用偏心壓力法進(jìn)行計(jì)算，對于任意一片主梁(記為i號主梁)而言，其荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值ηi的表達(dá)式不變，仍為式(4)。i號主梁所承受的荷載橫向分布系數(shù)mi為:

任意兩片相鄰主梁的荷載橫向分布系數(shù)變化率的絕對值為:

2 基于相鄰橫向系數(shù)變化率的狀態(tài)指標(biāo)

當(dāng)采用偏心壓力法計(jì)算橋梁的荷載橫向分布系數(shù)時(shí)，可直接使用式(5)和式(7)求解，而不再需要通過以往的先繪制橫向影響線、再求解橫向分布系數(shù)的過程來計(jì)算。

分析式(6)和式(8)，得出如下結(jié)論:

因此，當(dāng)0.5(n－1)·l0時(shí)(這樣能保證i號主梁和i+1號主梁處于橋梁的同一半幅，而且是荷載所在的那一半幅，亦即1號主梁所在的那一半幅)在自變量的前述定義域內(nèi)，函數(shù)在x=0處取到最大值，得:

綜上所述，當(dāng)采用偏心壓力法進(jìn)行荷載橫向分布的相關(guān)計(jì)算時(shí)，對于一座由n片主梁構(gòu)成的簡支梁橋，不論它是受到一個(gè)荷載的作用還是受到多個(gè)荷載的作用，只要荷載或平均作用距離荷載作用于目標(biāo)主梁(即i號主梁和i+1號主梁)所在的那半幅橋面上，那么這兩片相鄰的目標(biāo)主梁所承受的荷載橫向分布系數(shù)其變化率之內(nèi)。因此，當(dāng)進(jìn)行測試時(shí)，如果相鄰橫向系數(shù)變化率超出上述范圍，可以初步斷定為橫向聯(lián)系弱化或異常，進(jìn)而判斷鋪裝層退化。這就是從橫向系數(shù)角度給出的橋梁狀態(tài)判別方法。

［1］姚玲森.橋梁工程［M］.第2版.北京:人民交通出版社，2008.

［2］河北省京秦高速公路管理處，同濟(jì)大學(xué).基于管養(yǎng)目的的公路橋梁健康監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究［Z］.2008.

［3］武修雄.考慮橫梁剛度的橫向分布系數(shù)的計(jì)算［J］.水運(yùn)工程，1998(5):1-3.

［4］陳 可，崔亞楠，呂建鳴.荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算問題的研究［A］.中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會，2005年全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集［C］.2005:1118-1127.

［5］曾 智.混凝土橋梁鋪裝層受力分析和橫向分布系數(shù)計(jì)算［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2004.

［6］李淑芬，錢永久，馬艷峰.荷載橫向分布計(jì)算方法比較分析［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，17(1):84-87.

［7］陳宇新，竇玉秋，韓偉峰.淺析簡支梁橋橫向分布系數(shù)計(jì)算［J］.東北公路，2003(3):94-96.