對比分析斜交橋梁空間計算模型

劉貴平

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550008)

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對比分析斜交橋梁空間計算模型

劉貴平

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550008)

針對斜交橋梁工程計算，結(jié)合實例，在簡單介紹幾種橋梁常用空間計算模型的基礎(chǔ)上，分別采用實體單元模型與空間梁格單元模型對斜交橋梁實施空間計算，提出各計算模型應(yīng)用的要點，并通過對比分析，得出空間梁格單元模型能很好反映出斜交橋受力情況，但要注意剔除由預(yù)應(yīng)力直接引發(fā)的邊肋平面外彎矩的結(jié)論，旨在為類似斜交橋的工程計算工作提供可靠的依據(jù)和參考。

斜交橋；空間計算模型；實體單元模型；空間梁格單元模型；對比分析

1 斜交橋梁概況

此次研究的主要對象為一座6跨的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁斜交橋，橋跨實際布置情況為：18+20+3×25+22(m)連續(xù)箱梁，墩號17～23號，3×25跨斜交約27°，分別在19、20、21、22號墩上設(shè)置支座。于19號墩上布置一個固定支座，也就是支座7，其它墩橋布置活動支座，活動方向根據(jù)實際要求妥善選取。該斜交橋選用單箱三室等截面箱形梁結(jié)構(gòu)，鉛垂中心線上的梁高為1.4 m，箱梁頂部寬度為16.5 m，底端寬度為11.8 m，橋梁表面呈2°左右的橫坡。箱梁的跨間位置上未設(shè)置橫隔板，只是在支點位置上布設(shè)橫梁。在箱梁的縱向方向上，使用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，橫向未設(shè)置。預(yù)應(yīng)力類型為傳統(tǒng)腹板束。橋面雙向三車道，擬定荷載情況為：汽—超20，掛車—120，根據(jù)該橋?qū)嶋H情況對兩種空間計算模型進行對比分析。

2 空間計算模型

2.1 斜交橋?qū)嶓w單元模型

運用有限元計算軟件ANSYS模擬實體單元模型?；炷恋哪M選用solid45單元，預(yù)應(yīng)力筋束的模擬選用link8單元，以降溫為主要手段對預(yù)應(yīng)力進行施加。離散的最終結(jié)果為1.68×105個單元，其中混凝土的梁體單元占比93.45%，約為1.57×105個，預(yù)應(yīng)力筋束的梁體單元占比6.55%，約為1.1×104個。

2.2 斜交橋空間梁格模型

梁格法對于模型的要求較為特殊，可歸納為等效性，即為實際結(jié)構(gòu)與模型荷載一致時，二者實際撓曲必須相等，而且梁格模型內(nèi)力還要和結(jié)構(gòu)內(nèi)力完全相同。然而，由于梁格模型體系與實體結(jié)構(gòu)存在一定差異，這種等效性要求很難在實際情況中實現(xiàn)，可采取近似模擬的方法解決這樣的問題，由此可見，可以將梁格法理解成一種基于近似模擬的空間計算方法。為進一步提升梁格模型準確度，在對梁格進行劃分的過程中，應(yīng)充分考慮以下影響因素：

(1) 梁體在受彎過程中，截面實際上是圍繞相同中性軸進行彎曲的，因此各不同中性軸之間應(yīng)保持良好的位置關(guān)系。

(2) 桿件需要和梁肋對應(yīng)中心線完全重合，確保腹板上的剪應(yīng)力直接由梁格構(gòu)件承擔。

(3) 為確保荷載靜力分布具有足夠的靈敏度，橫向桿件之間的距離應(yīng)得到嚴格的控制，通常要保持在縱向間距限度之內(nèi)。

充分考慮上述因素，模擬時先進行離散處理，將箱梁的縱向等分成四種梁肋。為確保計算準確無誤，每一個梁肋都需按照規(guī)則離散成一定數(shù)量的空間單元，單元實際長度不得超出0.5 m，然后根據(jù)空間單元數(shù)量在跨間設(shè)置橫梁，進而對橫向的橋面體系進行模擬，相鄰兩個橫梁之間的距離需嚴格控制在1.0 m，支座橫梁按照實際空間結(jié)構(gòu)完成建模，同樣需要進行離散處理。通過以上處理，全結(jié)構(gòu)被劃分成2 789個空間單元。

3 計算結(jié)果與對比分析

3.1 自重荷載對比

在考慮自重荷載的情況下，對兩種空間計算模型實施對比，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在自重荷載的作用下，兩模型的空間計算結(jié)果基本吻合，但跨中與支座位置的梁格計算結(jié)果稍大，但在容許范圍之內(nèi)。

圖1 自重荷載作用下模型對比結(jié)果

3.2 預(yù)應(yīng)力對比

預(yù)應(yīng)力施加完畢以后，兩種模型的應(yīng)力計算結(jié)果基本吻合。但斜支座周邊比其余位置稍差，主要因為梁格法在處理截面時會產(chǎn)生少許近似誤差，不會對最終結(jié)果造成較大影響。

在運用梁格法實施空間計算的過程中，應(yīng)注意剔除由預(yù)應(yīng)力直接引發(fā)的邊肋平面外彎矩。從箱梁整體截面的角度講，預(yù)應(yīng)力筋的布置是完全對稱的，對梁格進行劃分以后，邊肋的截面會變成非對稱的形式，若此時按照原設(shè)計方案對預(yù)應(yīng)力筋進行布置，則會產(chǎn)生一定平面外彎矩，與真實受力存在差異，所以必須在分析過程中將其完全剔除。彎矩剔除后，梁格模型即可十分準確的反映出實體模型，而如果沒有完全剔除，會造成較大的應(yīng)力偏差，因此，在空間計算模擬的過程中，需對此引起足夠的重視。

4 結(jié) 論

(1)梁格法能很好的反映出斜交橋的受力情況，空間計算結(jié)果和模型基本吻合，而且建模的過程也十分簡便，具有較高的應(yīng)用與推廣價值。

(2)在運用梁格法進行建模的過程中，單元劃分必須科學(xué)合理，保證經(jīng)過離散處理后的模型滿足等效性要求，橫向梁格之間的距離應(yīng)得到嚴格的控制，如果具備較好的硬件實力，可進一步細化單元劃分，以有效提升空間計算的準確度。

(3)在施加預(yù)應(yīng)力的過程中，梁格模型會產(chǎn)生一定平面外彎矩，若未進行有效處理，會對計算結(jié)果造成嚴重的影響，因此在后續(xù)分析過程中，必須將這一部分彎矩剔除，以保證計算結(jié)果的真實性和準確度。

[1] 陳水福,唐錦春.斜交橋梁空間計算模型對比分析[J].中國市政工程,2006,(3):13-15，91.

[2] 徐曉龍,楊驪先,孫炳楠. 斜交預(yù)應(yīng)力混凝土板梁橋的計算模型與試驗研究[J]. 中國市政工程,2006,(5):28-30，94.

2016-03-11

劉貴平(1986-)，貴州仁懷人，助理工程師，研究方向：交通檢測。

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1008-3383(2016)07-0133-01