混凝土箱梁橫向受力精細(xì)化對比分析

顏　志　陳　竹

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

混凝土箱梁橫向受力精細(xì)化對比分析

顏志陳竹

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要箱梁因其箱形截面具有良好的結(jié)構(gòu)性能，比如，截面抗扭剛度大、能有效地抵抗正負(fù)彎矩、施工方便、截面使用效率高等，因而在現(xiàn)代各種橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。因此，對箱梁的各種受力特性應(yīng)有明確的了解，其中橫向內(nèi)力也是混凝土箱梁設(shè)計過程中必不可少的計算內(nèi)容。文中分別采用MIDAS，ANSYS有限元軟件建立單箱三室混凝土箱梁節(jié)段模型，加載對比分析其橫向受力特點，得出結(jié)論：無橫隔板箱梁橫向呈框架受力模式，二者計算結(jié)果基本是吻合的，同時說明了MIDAS平面桿系模型可以滿足一般計算精度要求。

關(guān)鍵詞混凝土箱梁橫向受力有限元

近年來，隨著橋梁材料性能和施工工藝的不斷進(jìn)步，采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的橋梁越來越多。由于箱梁截面抗扭剛度大，動力特性好，能有效抵抗正負(fù)彎矩，便于上、下層車道分流與管線布置，適應(yīng)懸臂法與頂推法施工要求，因此，箱型截面梁通常是公路混凝土梁橋的最佳選擇[1]。

但是箱形截面混凝土梁由于挖空率比較大，因此腹板間距較大、箱壁相對較薄，由恒載(比如預(yù)應(yīng)力)、活載，以及其他作用產(chǎn)生的橫向內(nèi)力是很大的。現(xiàn)行規(guī)范中涉及這方面的內(nèi)容相對很少，設(shè)計人員只能根據(jù)經(jīng)驗對箱梁的橫向進(jìn)行配筋，這導(dǎo)致了許多橋梁在使用階段甚至施工階段出現(xiàn)縱向裂縫。因此，合理地進(jìn)行箱梁橫向內(nèi)力計算是不可缺少的[2]。

在雙索面的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋中，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁與斜拉索在箱梁的兩側(cè)連接，為箱梁提供了彈性支承。斜拉索在箱梁的兩側(cè)產(chǎn)生較大的豎向分力。箱梁的橫橋向彎矩和橫向剪力的大小和傳遞路徑?jīng)Q定了箱梁橫向內(nèi)力的大小。箱梁橫向彎矩和剪力的大小與橋梁的橫向?qū)挾纫约敖孛娉叽绲扔嘘P(guān)，本文不考慮此類參數(shù)影響。

在沒有橫隔梁的情況下(見圖1)，箱梁內(nèi)力呈現(xiàn)框架的受力模式，僅考慮兩側(cè)斜拉索的豎向分力作用，受力相當(dāng)于簡支梁，箱梁的平衡如圖所示；外側(cè)的斜腹板為受拉板件，頂板(除兩側(cè)懸臂板外)為受壓板件，底板為受拉板件，腹板為受壓板件；考慮頂板與腹板相交處節(jié)點的受力平衡條件時，節(jié)點剛度介于鉸接節(jié)點和剛接節(jié)點之間，節(jié)點在頂板壓力、剪力、和腹板壓力下滿足平衡條件。

圖1　混凝土箱梁橫向內(nèi)力圖

本文針對混凝土箱梁在車輛集中荷載作用下，分別采用MIDAS和ANSYS有限元軟件對比研究了混凝土箱梁的橫向受力分析模型。

1有限元模型

模型所用箱梁以某雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋為工程背景，該橋主梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。主跨標(biāo)準(zhǔn)梁段主梁中心高3.0 m，頂板寬27 m、厚25 cm。中室凈跨6.0 m,邊室3.95 m。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段腹板厚度30 cm。主要尺寸見圖2。

圖2　混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：mm)

模型中不考慮縱橋向預(yù)應(yīng)力作用。用ANSYS采用solid65實體單元和link8桿單元分別模擬混凝土和橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，建立箱梁節(jié)段模型。用MIDAS建立平面桿系模型。分別見圖3、圖4。

圖3　MIDAS箱梁有限元節(jié)段模型

圖4ANSYS箱梁有限元節(jié)段模型

箱梁頂板預(yù)應(yīng)力采用9束低松弛鋼絞線，底板預(yù)應(yīng)力采用4束低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度皆為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為0.75倍標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。支座采用簡支梁式多點支撐，位置為設(shè)在斜拉橋箱梁吊桿處，ANSYS模型中在此處選擇多個節(jié)點約束住豎向y方向位移以防止繞橫向扭轉(zhuǎn)，支座距懸臂邊緣4.75 m。

作用在箱形梁上的荷載包括恒載與活載。恒載是連續(xù)對稱作用的，包括箱梁自重、二期恒載等，活載可以是對稱作用，也可以是非對稱偏心作用，包括車輛荷載等。本文綜合考慮箱梁自重和車輛荷載，車輛荷載采用橫向?qū)ΨQ均布的標(biāo)準(zhǔn)重量4輛車，軸重140 kN，在縱向有間距1.4 m的2個輪軸作用，合并加載情況見圖5。

圖5　箱梁加載示意圖(尺寸單位：m；荷載單位：kN)

2橫向受力分析

2.1箱梁豎向位移對比分析

在自重及車輛荷載作用下， ANSYS軟件計算結(jié)果中箱梁位移示意見圖6。

圖6　ANSYS箱梁位移計算結(jié)果

由圖6及對比MIDAS計算結(jié)果可見，2種軟件得出的結(jié)果基本是吻合的，區(qū)別在于ANSYS結(jié)果在縱橋向也是變化的，結(jié)果趨于精細(xì)化，也更合理。在箱梁翼緣端部處，MIDAS結(jié)果為6.4 mm，ANSYS結(jié)果為6.5 mm，結(jié)果基本一致。在跨中處，MIDAS結(jié)果為1.2 mm，ANSYS結(jié)果則在縱向為變化值，邊緣處最小，其值約為0.8 mm，中間部位約為1.8 mm，這是因為車輛荷載集中作用在此處所致。

2.2箱梁橫向應(yīng)力對比分析

在自重及車輛荷載作用下， ANSYS軟件計算結(jié)果中箱梁橫向應(yīng)力云圖見圖7。

由圖7及對比MIDAS計算結(jié)果可見，箱梁橫向受力呈框架式；二者橫向應(yīng)力結(jié)果基本也是吻合的。在頂板跨中處，MIDAS結(jié)果約為7 MPa，ANSYS結(jié)果為5～9 MPa。在底板處，MIDAS結(jié)果為2.2～2.8 MPa，ANSYS結(jié)果則為1.5～3.5 MPa。在中腹板處，MIDAS結(jié)果為2.0～3.9 MPa，ANSYS結(jié)果則為0.8～1.3 MPa，此處結(jié)果相差較大。而在斜腹板處，MIDAS結(jié)果為2.0～3.0 MPa，ANSYS結(jié)果則為1.8～2.8 MPa?？傮w來說，考慮ANSYS結(jié)果的縱向分布，二者相差不大。

3結(jié)論

箱梁橫向受力呈框架式。綜合考慮ANSYS結(jié)果的縱向分布，二者計算結(jié)果基本是吻合的，在中腹板處差別相對較大，說明MIDAS平面桿系模型可以滿足一般計算精度。

但本文未能考慮箱梁中橫隔板的影響，應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。

參考文獻(xiàn)

[1]邵旭東.橋梁設(shè)計百問[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]袁好國,王航.混凝土箱梁橫向受力的計算方法研究[J].科技信息，2011(17):462-463.

收稿日期：2014-11-05

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.005