寬箱梁橫向分布系數(shù)計(jì)算探討

任劍 袁李剛 彭友松 張菂

摘? 要：汽車、人群荷載是橋梁可變作用中的主要荷載，直接影響著橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于多片梁橋而言，梁體之間的協(xié)同工作能力決定了荷載的橫向分布。簡(jiǎn)支梁橋常采用單梁模型考慮橫向分布系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，因此，獲得準(zhǔn)確的橫向分布系數(shù)至關(guān)重要。對(duì)于寬箱梁而言，常規(guī)橫向分布系數(shù)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和適用性需要進(jìn)行分析。本文采用Ansys建立了實(shí)體分析模型，通過(guò)與常規(guī)橫向分布系數(shù)的計(jì)算方法對(duì)比，結(jié)果表明：對(duì)于算例橋梁，相對(duì)于實(shí)體分析模型結(jié)果，采用常規(guī)橫向分析系數(shù)計(jì)算方法得到的結(jié)果偏小約12%，采用常規(guī)算法較為危險(xiǎn)，可為類似寬箱梁橋工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：寬箱梁? 橫向分布系數(shù)? 杠桿法? 修正偏心壓力法

中圖分類號(hào)：K928 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0015-03

Discussion on the Calculation of Transverse Distribution Coefficient of Wide Box Girder

REN Jian? YUAN Ligang? PENG Yousong? ZHANG Di

（Sichuan Communication Surveying & Design Institute Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610017 China）

Abstract： Automobile and crowd loads are the main loads in the variable action of the bridge， which directly affect the bridge structure design. For multi beam bridges， the cooperative working ability between beams determines the transverse distribution of load. Single beam model is often used to calculate the structure of simply supported beam bridge considering the transverse distribution coefficient， so it is very important to obtain the accurate transverse distribution coefficient. For wide box girder， the accuracy and applicability of the conventional calculation method of transverse distribution coefficient need to be analyzed. In this paper， the solid analysis model is established by Ansys. Compared with the calculation method of conventional transverse distribution coefficient， the results show that for the example bridge， compared with the results of solid analysis model， the results obtained by conventional transverse analysis coefficient calculation method are about 12%， and it is dangerous to use conventional algorithm， which can provide reference for the engineering design of similar wide box girder bridges.

Key Words： Wide box girder; Transverse distribution coefficient; Lever method; Modified eccentric pressure method

1? 概述

簡(jiǎn)支梁橋受力明確、施工簡(jiǎn)單，是目前應(yīng)用最廣的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式。最為常見(jiàn)的混凝土簡(jiǎn)支梁橋是小箱梁、T梁和空心板通過(guò)濕接縫、橫隔板等橫向聯(lián)系形成上部結(jié)構(gòu)，跨徑一般是16～50m。簡(jiǎn)支鋼箱梁橋最大跨徑可達(dá)到70m，其上部結(jié)構(gòu)常采用分離式鋼箱，通過(guò)橫向聯(lián)系形成整體。上述簡(jiǎn)支梁橋設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要采用適當(dāng)?shù)姆治龇椒?，考慮不同主梁間的橫向聯(lián)系協(xié)同作用能力，獲得盡可能貼合實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。

橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析一般有單梁模型、梁格模型、實(shí)體模型?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中指出，橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)用精細(xì)化分析宜采用空間網(wǎng)格、折面梁格和七自由度單梁模型。單梁模型一般適用于窄橋，其計(jì)算假定是全截面滿足平截面假定，不能考慮剪力滯效應(yīng)、橫向受力及扭轉(zhuǎn)情況，建模方便，計(jì)算簡(jiǎn)單?？臻g網(wǎng)格宜用于腹板間距不小于5m的混凝土箱梁，可以考慮橋梁全部空間效應(yīng)，但是其橫向效應(yīng)計(jì)算有所差異，建模復(fù)雜容易出錯(cuò)，且對(duì)工程師分析能力要求高。梁格模型適用于多片主梁或者單向多室混凝土箱梁，基本原理是梁格模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)撓度保持一致，可以考慮剪力滯效應(yīng)和橫向彎曲受力，但是不能計(jì)算頂?shù)装宓乃郊魬?yīng)力。實(shí)際上空間網(wǎng)格模型與梁格模型，對(duì)于虛擬橫梁的劃分、梁格的劃分要求較高，適當(dāng)?shù)哪Ｐ涂梢詫?duì)結(jié)構(gòu)縱向受力得到較真實(shí)的結(jié)果，而橫向相對(duì)較差，特別是對(duì)于溫度、收縮、徐變等不能得到令人滿意的橫向結(jié)果[2-3]

單梁模型依然是較常使用的分析模型，由于單梁模型無(wú)法考慮荷載的橫向分布，一般是通過(guò)橫向分布系數(shù)考慮相應(yīng)的荷載分布。橫向分布系數(shù)的計(jì)算方法一般有杠桿原理法、偏心壓力法、鉸接板法、剛接梁法、比擬正交異形板法，不同的結(jié)構(gòu)受力情況應(yīng)采用不同的方法[4]。汪飛、李靜文通過(guò)縮尺的簡(jiǎn)支梁橋模型試驗(yàn)，對(duì)常用的橫向分布系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行了探討[5-6]。周建庭等人通過(guò)實(shí)體有限元與試驗(yàn)對(duì)裝配式箱梁橫向整體受力進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了實(shí)體有限元分析的可靠性[7]。對(duì)于一些較寬的混凝土箱梁，上述幾種方法的適用性有待驗(yàn)證。本文以成南擴(kuò)容項(xiàng)目的某一上跨大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)建立實(shí)體分析模型，研究了荷載的橫向分布并對(duì)比了與常規(guī)算法的差異。

2? 上跨大橋設(shè)計(jì)概況

上跨大橋位于四川省德陽(yáng)市中江縣，跨越桂竹路?？紤]到施工中保障通行及與原橋的協(xié)調(diào)適應(yīng)性，采用45m跨徑的現(xiàn)澆箱梁。橋面寬度為20.35m，最大橋高8.5m。上部結(jié)構(gòu)由3個(gè)單箱單室箱梁組合而成，梁高為2.5m。箱梁端部頂、底板厚度為0.45m，跨中頂、底板厚度為0.25m，腹板厚度為0.5m。箱梁翼緣端部厚度為0.22m，翼緣根部為0.50m。橋臺(tái)采用肋板式橋臺(tái)。橋梁跨中橫截面如圖1所示。由于保通的需求及施工方便，采用了3個(gè)不等寬的現(xiàn)澆箱梁，通過(guò)濕接縫及橫隔板相連。

距梁體端部7.5m、17.5m、27.5m、37.5m和跨中分別設(shè)置五道橫隔板，梁端處設(shè)置寬度為1.5m的橫梁。

該橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)，行駛速度100km/h。橋面橫向布置：0.6m防撞護(hù)欄+19.15m凈橋面+0.6m（防撞護(hù)）=20.35m，5車道。每個(gè)箱室均設(shè)置了2個(gè)支座，距離腹板外側(cè)為0.5m。

3? 驗(yàn)算結(jié)果

采用Ansys建立有限元分析模型進(jìn)行計(jì)算，采用Solid45實(shí)體單元進(jìn)行模擬，分析模型如圖2所示。通過(guò)橫向布置汽車荷載，計(jì)算出各片主梁的豎向彎矩，得出其相應(yīng)最大的橫向分布系數(shù)。

模型采用杠桿原理法計(jì)算支點(diǎn)處的橫向分布系數(shù)，先將每個(gè)箱室下的雙支座近似為支撐于箱梁中心線的單支座，將橫向橋梁結(jié)構(gòu)視為在主梁上斷開(kāi)的簡(jiǎn)支梁。計(jì)算出支點(diǎn)位置處的橫向分布系數(shù)。偏心壓力法即將主梁視為剛性極大的梁，橫梁僅發(fā)生剛體位移，適用于橋上具有可靠的橫向聯(lián)結(jié)，且橋的寬跨比小于0.5的窄橋，但是忽略了主梁的抗扭剛度，因此常采用考慮主梁抗扭剛度的修正偏心壓力法。

各主梁的橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

如表1所示，采用有限元分析所得到的支點(diǎn)處各主梁其橫向分布系數(shù)小于采用杠桿原理法計(jì)算結(jié)果，最大誤差約為46%。而對(duì)于此類橋梁設(shè)計(jì)，支點(diǎn)處的內(nèi)力一般不起控制作用，僅影響支座設(shè)置。

采用有限元分析所得到的跨中處各主梁其橫向分布系數(shù)均大于采用修正偏心壓力法計(jì)算結(jié)果，其中中梁即第2片梁的結(jié)果誤差較大為12%，第一片邊梁的誤差為5.5%，第三片邊梁的結(jié)果誤差為9%。顯示對(duì)于算例橋梁，采用常規(guī)方法計(jì)算出的橫向分布系數(shù)偏小，而橋梁設(shè)計(jì)時(shí)跨中截面的內(nèi)力起到控制作用，因此此類橋梁采用橫向分布常規(guī)算法偏危險(xiǎn)。

對(duì)于橋梁橫向分布系數(shù)縱向上的取值，一般以第一道中橫隔板位置為控制，中橫隔板之內(nèi)采用跨中橫向分布系數(shù)，而梁端采用支點(diǎn)處橫向分布系數(shù)，其間線性過(guò)渡。如圖3所示，縱向上橫向分布系數(shù)的對(duì)比表明，采用簡(jiǎn)化方法計(jì)算的車輛荷載橫向分布系數(shù)分布規(guī)律支點(diǎn)處誤差較大，梁體中部比較接近。主要原因應(yīng)該在于本橋梁端部設(shè)置了1.5m寬的橫梁，梁端受力更接近剛性橫梁，與杠桿原理法假設(shè)不符，帶來(lái)較大的結(jié)果差異。

4? 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于多片主梁的簡(jiǎn)支梁橋，單梁分析模型計(jì)算方便，目前在常規(guī)計(jì)算中廣泛應(yīng)用，但需要對(duì)荷載的橫向分布系數(shù)較為準(zhǔn)確的計(jì)算，由于未考慮橫向效應(yīng)，并應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑龃蟆ａ槍?duì)較寬箱梁、不等寬箱梁，本橋基于成南擴(kuò)容項(xiàng)目某上跨大橋，建立了實(shí)體有限元分析模型，對(duì)比了有限元分析與常規(guī)的橫向分布系數(shù)計(jì)算方法的結(jié)果。跨中處實(shí)體有限元分析計(jì)算的橫向分布系數(shù)大于簡(jiǎn)化方法，中梁結(jié)果差異最大約為12%，對(duì)于此類橋梁采用常規(guī)橫向分布系數(shù)結(jié)合單梁模型計(jì)算較為危險(xiǎn)，建議將設(shè)計(jì)時(shí)最不利橫向分析系數(shù)提升1.3倍考慮。

參考文獻(xiàn)

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