連續(xù)變寬箱形橋梁計(jì)算精度探究

羅玉嬌

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速平穩(wěn)的發(fā)展，人們收入水平極大提高，對(duì)車輛的消費(fèi)需求也不斷擴(kuò)大。此外城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，對(duì)橋梁建設(shè)提出了更為嚴(yán)苛的要求。此次以某連續(xù)變寬箱形橋梁為例，基于梁格以及單梁模型的構(gòu)建，對(duì)兩種模型的差別以及精度進(jìn)行研究分析，并在基于一定的富裕度考慮后，將變寬箱梁縱向簡(jiǎn)化為單梁模型進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：工程設(shè)計(jì)；橋梁；變寬箱形；計(jì)算精度

中圖分類號(hào)：U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）24-0088-02

0 引言

近年我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化建設(shè)進(jìn)程也得到了明顯提高，人均車輛保有量較往年明顯增多，城市交通問(wèn)題日益嚴(yán)重。高架立交橋是緩解城市交通壓力的重要措施之一，為了城市資源的充分利用，達(dá)到合理的城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、行車安全性及舒適性等目的，對(duì)現(xiàn)代化高架橋的建設(shè)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。高架橋由于交通組織需要局部逐漸變寬時(shí)，受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形、交通環(huán)境以及城市景觀等因素影響，變寬箱形梁橋隨之應(yīng)運(yùn)而生。連續(xù)變寬箱形梁橋同時(shí)具有寬箱梁橋以及異形梁橋的特點(diǎn)。

1 工程介紹

此次以某城市高架橋?yàn)槔?，其跨度設(shè)置為32+42+30米，設(shè)計(jì)梁高為2米，主橋斷面主要以單箱四室箱形截面，設(shè)計(jì)三道豎直腹板，兩道斜腹板，設(shè)計(jì)箱梁頂板寬度從22.212米漸變至27.7米，寬跨比約為0.6。箱室規(guī)格隨著橋面寬度的變化而改變。箱梁頂板厚度設(shè)計(jì)為22厘米，底板厚度則控制為22-40厘米，腹板厚度為45-70厘米。在橋梁的跨間未設(shè)置橫隔板，而只是在橋墩位置設(shè)計(jì)了支座橫梁。設(shè)計(jì)邊墩的橫梁厚度為1米，中墩橫梁控制為2米，橋墩位置橫向布置三個(gè)支座?；炷翉?qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C50，預(yù)應(yīng)力管道以PE塑料波紋管為主，鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860兆帕，單根鋼絞線設(shè)計(jì)直徑為15.2毫米。公路-I級(jí)，雙向六車道，整座橋選用一次落架，十年收縮徐變。

2 基于有限元建模分析

此次就該連續(xù)變寬箱形橋梁選擇有限元軟件構(gòu)建了單梁模型以及梁格模型，并對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 單梁模型分析

該橋單梁模型共有120個(gè)模塊以及1157個(gè)支點(diǎn)。其中80個(gè)模塊以及81個(gè)支點(diǎn)為主梁所用，基于截面偏心以及變截面的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的模擬分析。橫梁部分以頂?shù)装搴穸冗M(jìn)行過(guò)渡處理，掏空后基于單元負(fù)載方式對(duì)重量進(jìn)行補(bǔ)充。上部結(jié)構(gòu)材料以C50混凝土為主，其物理特性等滿足設(shè)計(jì)要求，收縮以及徐變均效應(yīng)程序自動(dòng)加載。采用實(shí)際的荷載位置模擬負(fù)載的加載，于橋面均勻設(shè)置荷載，依據(jù)其荷載斷面重心位置偏心加載于整個(gè)單梁模型上。

2.2 梁格模型

整座梁格模型橋梁總計(jì)1150個(gè)模塊以及745個(gè)支點(diǎn)，其中1110個(gè)模塊以及669個(gè)支點(diǎn)用于主梁上。縱梁格于頂?shù)装宓闹行奈恢脛澐珠_，而橫梁格則于截面變化位置分開。其中縱梁格5條，每個(gè)梁格均包括68個(gè)模塊，中縱梁處于橫斷面的中腹板區(qū)域，邊縱梁處于斜腹板的上方，橫梁格63條，共計(jì)770個(gè)單元。包括橫梁實(shí)腹梁格、支點(diǎn)周邊縱向加密梁格、頂?shù)装宓群穸攘焊竦冉M成?？v梁格于橫梁區(qū)域依據(jù)頂?shù)装搴穸冗^(guò)度，待掏空后依據(jù)單元負(fù)荷對(duì)其重量進(jìn)行彌補(bǔ)。上部結(jié)構(gòu)材料以C50混凝土為主，其物理特性等滿足設(shè)計(jì)要求，收縮以及徐變均效應(yīng)程序自動(dòng)加載。荷載加載通常采用荷載位置模擬的原則，于橋面均勻設(shè)置荷載，依據(jù)其荷載斷面重心位置偏心加載于整個(gè)模型上。

3 對(duì)比分析

3.1 精度對(duì)比分析

在恒載，即自重以及二期等共同影響下，針對(duì)該橋梁的梁格模型以及單梁模型的的左中支點(diǎn)、左側(cè)的邊跨跨中、中跨跨中、右中支點(diǎn)、右側(cè)的邊跨跨中截面的正面應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，基于梁格模型所計(jì)算得到的各個(gè)腹板的應(yīng)力和與其相對(duì)應(yīng)的單梁模型結(jié)果較為接近，在跨中梁格模型分析計(jì)算的腹板應(yīng)力和單梁應(yīng)力差距基本控制在8%以內(nèi)，而在支點(diǎn)處單梁模型的結(jié)果則相差相對(duì)較大，這也恰好論證了梁格模型橫向效應(yīng)的影響，計(jì)算結(jié)果通常不利。梁格計(jì)算的平均應(yīng)力和單梁模型的誤差基本控制在3.5%以內(nèi)，梁格模型的應(yīng)力變化總的情況和單梁基本類似。此外，右邊跨中、右邊支點(diǎn)梁格應(yīng)力和單梁應(yīng)力結(jié)果相較于左側(cè)跨跨中更為精確，很好的論證了寬跨比對(duì)于單梁模型計(jì)算精度方面的影響。

3.2 應(yīng)力對(duì)比分析

依據(jù)文件JTG D62-2012相關(guān)規(guī)定，此次主要考量正截面最大應(yīng)力有壓儲(chǔ)備在短期效應(yīng)情況下的分析，并將其作為單梁模型的富裕量，和兩個(gè)模型結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，在施工階段，基于短暫情況下單梁模型構(gòu)件其正截面最大拉應(yīng)力為-0.9兆帕，有壓應(yīng)力儲(chǔ)備；梁格模型構(gòu)件正截面最大拉應(yīng)力為0兆帕，沒(méi)有產(chǎn)生拉應(yīng)力，均低于規(guī)范所規(guī)定的1.39兆帕，符合相關(guān)規(guī)范要求；此外，單梁模型短期效應(yīng)組合下截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，符合相關(guān)規(guī)范要求；梁格模型短期效應(yīng)組合下載面積最大拉應(yīng)力1.2兆帕，低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，符合規(guī)范要求；基于持久的情況下，單梁模型與梁格模型的構(gòu)件正截面最大壓應(yīng)力均符合相關(guān)規(guī)定要求。

此外由表2中可以看出，單梁模型在長(zhǎng)期效應(yīng)的情況下，截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足相關(guān)規(guī)定要求；梁格模型短期效應(yīng)組合下截面最大拉應(yīng)力為0.6兆帕，只在其局部的拉應(yīng)力出現(xiàn)超出規(guī)定范圍的情況。單梁模型可以實(shí)現(xiàn)在短期效應(yīng)組合的情況下，正截面的最大正面應(yīng)力未出現(xiàn)拉應(yīng)力以及壓應(yīng)力有富裕量，基于上述兩種模型的應(yīng)力分析結(jié)果和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行比對(duì)，不考慮長(zhǎng)期效應(yīng)組合下梁格模型的計(jì)算應(yīng)力在右中支點(diǎn)處存在拉應(yīng)力，在其它形式的荷載組合下均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。因此在恰當(dāng)、科學(xué)合理的安全儲(chǔ)備前提下，單梁模型的分析方法在前期設(shè)計(jì)階段具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

在此次連續(xù)變寬箱梁橋的案例分析中，基于單梁模型以及梁格模型進(jìn)分析方法行了對(duì)比研究，梁格模型各個(gè)腹板的應(yīng)力和與之相對(duì)應(yīng)的單梁計(jì)算結(jié)果基本類似。此外，基于梁格模型的應(yīng)力變化趨勢(shì)與單梁模型應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，在右跨計(jì)算中兩種模型的分析結(jié)果誤差相對(duì)較大，從而很好的論證了寬跨比越大對(duì)于單梁模型精度的影響越為不利，即其分析所得結(jié)果的精度越為難以令人滿意。針對(duì)兩組模型在長(zhǎng)期效應(yīng)組合、短期效應(yīng)組合以及標(biāo)準(zhǔn)組合和施工階段的應(yīng)力情況，梁格模型縱向計(jì)算綜合考量了橫向效應(yīng)可能存在的影響，實(shí)際所得到的結(jié)果普遍較為不利，但就宏觀角度分析，梁格模型以及單梁模型之間的結(jié)果基本接近。故當(dāng)單梁模型在基于一定安全儲(chǔ)備考量的前提下，可以將變寬箱梁縱向簡(jiǎn)化為單梁模型進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算分析，并可有效適用于工程前期設(shè)計(jì)分析中。未來(lái)隨著城市建設(shè)速度的加快及建設(shè)水平的提升，對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)分析的科學(xué)性以及合理性要求將越為嚴(yán)苛，而基于單梁模型的分析方式可以較為快速準(zhǔn)確的得到分析結(jié)果，為工程前期方案設(shè)計(jì)提供參考，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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