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    考慮框架效應的斜腹板單箱雙室橋面板橫向受力分析

    2017-03-28 08:04:56元德壬
    城市道橋與防洪 2017年2期
    關鍵詞:凈距跨徑懸臂

    元德壬,鐘 明

    (1.廣西河百高速公路有限公司,廣西 南寧 530021;2.西安中交土木科技有限公司,陜西 西安 710075)

    考慮框架效應的斜腹板單箱雙室橋面板橫向受力分析

    元德壬1,鐘 明2

    (1.廣西河百高速公路有限公司,廣西 南寧 530021;2.西安中交土木科技有限公司,陜西 西安 710075)

    箱梁橋面板的橫向效應一般采用規(guī)范中簡化的計算公式進行分析,并未考慮箱梁的橫向框架效應,基于有限元軟件,建立了箱梁的橫向框架模型,分析懸臂長度與箱室凈距對箱梁橫向內力的影響,并將考慮框架效應的橋面板內力與規(guī)范簡化公式計算值進行了對比分析,給出了橋面板計算的推薦方法,有關經驗可供相關專業(yè)人員參考。

    橫向框架有限元模型;箱梁橋面板橫向分析;橫向框架效應

    0 引言

    箱梁橫橋向受力直接決定箱梁頂、底板的厚度與橫向配筋情況,箱梁橫向分析是箱梁整體設計中不可或缺的一部分,但是箱梁橫向精確計算比較復雜,不便于操作,一般采用規(guī)范簡化公式進行計算,未計入箱梁橫向框架對橋面板內力的影響,無法全面反映橋面板的受力特性,可能出現(xiàn)橋面板橫向配筋浪費,精確獲得橋面板內力具有一定意義。

    1 箱梁的橫向計算

    1.1 橫向框架計算模型

    借助于橋梁博士有限元軟件中的橫向分析模塊,沿箱梁縱橋向選取單位長度,采用桿系單元,建立箱梁橫向框架模型,考慮箱梁框架效應,在箱梁腹板中軸線處設置豎向彈性支撐與側向約束,為了計算方便,可將彈性支承近似為剛性支承。箱梁橫向框架模型圖式見圖1。

    圖1 箱梁橫向框架模型圖式

    1.2 作用荷載計算

    箱梁橫向計算中應考慮的荷載包括結構自重(包含二期恒載)、預應力、汽車荷載、人群荷載、溫度力以及混凝土收縮徐變等。其中自重、預應力、溫度力及混凝土收縮徐變的計算方法與箱梁縱向分析一樣,此處不詳細介紹,以下重點介紹汽車荷載的橫向計算方法。

    對于汽車活載的橫向分析,通常將活載簡化為平面荷載,在橫橋向按照最不利荷載進行加載,加載原理與縱向影響線加載原理相同,主要區(qū)別在于汽車荷載橫向加載的等效荷載集度如何取值。

    本文參考文獻[1]4.1.3條規(guī)定,按照單向板計算汽車荷載分布寬度a和b,在分布寬度范圍內將車輪荷載P等效成均布荷載,然后將等效車輪荷載按照橫向最不利位置作用在框架梁上。

    橫向車輪等效荷載與車輪荷載、車輪荷載分布范圍和梁段縱向寬度有關,等效荷載b,其中,l為選取梁段的縱向寬度;a、b為車輪荷載分布寬度,具體計算參見文獻[1]4.1.3條。

    2 實例分析

    2.1 實際工程

    以某工程預應力混凝土箱梁為例,橋梁橫向布置為0.5m(防撞護欄)+12.25m(行車道)+0.5m(防撞護欄)=13.25m。梁高為1.8m,支點腹板厚0.7m,跨中腹板厚0.5m,頂板厚0.22m,底板厚0.2m??缰械湫蜋M斷面見圖2。

    橋面鋪裝為8cm瀝青混凝土鋪裝+10cmC50防水混凝土,主梁結構縱向按照全預應力構件設計,橫向未設置預應力。

    2.2 橫向荷載作用

    (1)結構重力:按照實際建模尺寸計算,混凝土容重取26kN/m3;

    (2)橋面二期恒載:兩側防撞護欄線荷載10kN/m、橋面鋪裝面荷載4.24kN/m2;

    (3)混凝土收縮與徐變作用:依據(jù)文獻[1]混凝土規(guī)范計算;

    (4)車輛荷載:公路-I級車輛荷載;

    (5)溫度作用:按“04通規(guī)”要求考慮。

    2.3 汽車荷載橫向計算

    2.3.1 平行于板跨徑方向的荷載分布寬度b

    [1]4.1.3條規(guī)定,計算單向板時,平行于板的跨徑方向荷載的分布寬度 b=0.6+2× 0.18=0.96m。

    2.3.2 垂直于板的跨徑方向的荷載分布寬度a

    橋面板的凈距為3.975m,計算跨徑為3.975+ 0.22=4.195m,懸臂長度為1.744m。

    (1)支承處時:a=0.2+2×0.18+0.22=0.78m。(2)板的跨徑中部時,有多個車輪重疊時:a=

    (3)懸臂端部:a=0.2+2×0.18+2×(1.744-1)+ 1.4=3.448m。

    板的支承附近按照線形內插。箱梁橋面板荷載分布寬度變化見圖3。

    圖2 預應力混凝土箱梁跨中典型橫斷面(單位:cm)

    圖3 橋面板荷載分布寬度a變化圖(單位:cm)

    活載的計算主要用到《橋博》的兩個功能——橫向加載和折線形橫向分布系數(shù)。車輪作用在橋面板上不同位置時,順橋向參與受力的有效寬度是不同的,利用折線形橫向分布系數(shù)功能,可以近似的模擬活載橫向加載。《橋博》橫向加載時,汽車橫向車距、軸距按規(guī)范值布置,軸重1kN,輪重為1/2kN。

    支承處橋博橫分系數(shù):P=140/0.78/0.96×1× 0.96=179.49。

    板的跨徑中部橋博橫分系數(shù):P=280/4.197/0.96× 1×0.96=66.71。

    懸臂端部橋博橫分系數(shù):P=280/0.3448/0.96× 1×0.96=81.2。

    其余位置橫分系數(shù)計算方法與上述相同,限于篇幅,此處未具體給出。

    2.4 有限元模型

    利用橋梁博士有限元軟件,選取箱梁縱橋向跨中1m長梁段進行橫向計算,共計135個單元,136個節(jié)點。

    3 計算結果

    (1)按上述平面框架模型計算,箱室凈距3.975m,懸臂長度1.75m的箱梁橫向內力見圖4、圖5。

    圖4 承載力極限組合彎矩(單位:kN·m)

    圖5 作用短期效用組合彎矩(單位:kN·m)

    由圖4、圖5可知,承載力極限組合下,倒角起點處橋面板最大負彎矩為-162kN·m,跨中最大正彎矩為46kN·m;短期效應組合下,倒角起點處橋面板最大負彎矩為-67kN·m,跨中最大正彎矩為19kN·m。

    (2)規(guī)范JTGD62-2004第4.1.2條規(guī)定:與梁肋整體連接的板,彎矩可按以下簡化方法近似計算:

    當板厚與梁肋高度之比t/h<1/4時(即主梁抗扭能力大者):

    當板厚與梁肋高度之比t/h≥1/4時(即主梁抗扭能力小者):

    式中:M0為與計算跨徑相同的簡支板跨中彎矩。簡支板的跨徑可取為兩肋間的凈距加板厚,但不大于兩肋中心之間的距離。

    由規(guī)范簡化公式計算可得,承載力極限組合下,倒角起點處橋面板最大負彎矩為-109kN·m,跨中最大正彎矩為78kN·m;短期效應組合下,倒角起點處橋面板最大負彎矩為-48kN·m,跨中最大正彎矩為34kN·m。

    (3)對于不同箱室凈距與懸臂長度分別進行了橫向內力計算,腹板處橋面板負彎矩計算結果見圖6和圖7。

    圖6 承載力極限組合腹板處頂板負彎矩M根(單位:kN·m)

    圖7 短期效應組合腹板處頂板負彎矩M根(單位:kN·m)

    由圖6和圖7可知,對于單箱雙室截面,箱室凈距和懸臂長度越大,組合彎矩M根越高,橋面板腹板根部負彎矩受箱室凈距與懸臂長度的控制;考慮框架效應的彎矩值均比規(guī)范簡化公式計算值偏大,主要原因為:規(guī)范簡化公式中計算跨徑為箱室凈距加頂板厚,而框架計算中,橋面板的計算跨徑為斜腹板腹板中心距,大于規(guī)范計算跨徑,使得框架計算的根部負彎矩較大;規(guī)范簡化計算時,未考慮腹板倒角加厚截面對橋面板整體剛度的影響,框架計算時,腹板倒角處按照實際變截面建模,考慮了橋面板倒角處加厚截面對整體剛度的影響,腹板根部彎矩按照剛度進行重新分配,導致根部負彎矩偏大。

    箱室頂板跨中彎矩計算結果見圖8和圖9。

    圖8 承載力極限組合頂板跨中正彎矩M中(單位:kN·m)

    圖9 短期效應組合頂板跨中正彎矩M中(單位:kN·m)

    由圖8和9可知,組合彎矩M中基本受箱室凈距的影響,與懸臂長度無關;考慮框架效應的彎矩值均比規(guī)范簡化公式計算值偏小,規(guī)范簡化計算偏安全。

    4 結論與建議

    由上述分析可以得出以下結論:

    (1)詳細闡述了考慮框架效應的箱梁橫向計算方法,具體給出了活載等效荷載的計算方法,基于《橋博》橫向加載和折線形橫向分布系數(shù)功能,實現(xiàn)了汽車活載的橫向加載,能夠將活載簡化為平面荷載,有效地提高了箱梁的橫向計算效率;

    (2)由箱梁橫向內力計算結果可知,對于單箱雙室截面,橋面板根部負彎矩受箱室凈距和懸臂長度的共同影響,橋面板跨中正彎矩基本受箱室凈距的影響,與懸臂長度無關;

    (3)考慮框架效應的橋面板根部負彎矩值均比規(guī)范簡化公式計算值偏大,考慮框架效應的橋面板跨中正彎矩比規(guī)范簡化公式計算值偏小。

    建議斜腹板箱梁的橋面板根部負彎矩采用框架計算,跨中正彎矩采用規(guī)范簡化公式進行計算,設計偏于安全。

    參考文獻:

    [1]JTGD62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

    [2]楊智,李捷.箱梁橋的橫向計算[J].青海交通科技.2006(3):27-29.

    [3]胡肇滋.橋跨結構簡化分析[M].北京:人民交通出版社,1996.

    [4]范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2007.

    U441

    :A

    :1009-7716(2017)02-0063-03

    10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.019

    2016-11-08

    元德壬(1979-),男,廣西岑溪人,工程師,從事公路工程建設管理工作。

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