預(yù)制混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)中橫隔板的作用分析

黃 潔

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

預(yù)制裝配式混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟指標低、結(jié)構(gòu)剛度較大、梁高適中、對地面交通影響較小、便于快速施工。預(yù)制拼裝小箱梁結(jié)構(gòu)得以廣泛使用。設(shè)置中橫隔板會增加結(jié)構(gòu)自重、增加自重作用下跨中撓度、增加施工難度以及增加工程造價。國內(nèi)外學者也對中橫隔板的設(shè)置進行了一定的研究。文獻[1]建議在小于等于30 m 的小箱梁中增設(shè)一道橫隔板，無須增設(shè)3 道橫隔板。文獻[2]研究顯示設(shè)置中橫隔板，能提高箱梁整體性能。本文在30 m+30 m 簡支變連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁工程實例的基礎(chǔ)上，采用虛擬橫梁單元法[3]建立三維Midas Civil 有限元模型，對在有無設(shè)置中橫隔板的情況下，小箱梁邊梁在活載作用下的跨中撓度、各個工況下的小箱梁邊梁的內(nèi)力進行對比，進一步根據(jù)規(guī)范要求[4，5]對小箱梁承載力驗算進行分析。

1 模型建立

本工程項目橋梁橫斷面總寬12.5 m，由三片小箱梁組成，梁間距4.029 m。橋孔兩端均設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚度0.4 m；跨中橫隔板厚度采用0.3 m。橋梁橫斷面可以布置三車道。小箱梁截面見圖1，支點處腹板厚度320，底板厚度300；跨中腹板厚度190 mm，底板厚度220 mm。小箱梁縱向腹板加厚段長4 m。小箱梁結(jié)構(gòu)計算模型采用有限元軟件Midas/civil，采用虛擬橫梁單元法分別建立有跨中橫隔板和無跨中橫隔板的三維模型（見圖2）。三片小箱梁采用縱向空間梁單元模擬，濕接縫及邊梁外側(cè)挑臂也采用橫向梁單元模擬。

圖1 箱梁截面圖（單位：mm）

圖2 有中橫隔板小箱梁有限元模型

2 計算分析

2.1 中橫隔板對跨中撓度的影響

根據(jù)規(guī)范[5]持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算要求，本節(jié)重點對比分析了混凝土小箱梁在活載作用下中梁和邊梁最大撓度。

活載取的是最不利車道偏心荷載。在偏心車道荷載作用下（見表1），由于橫隔板加強了結(jié)構(gòu)整體性，有橫隔板的三片小箱梁跨中撓度差比較?。粺o橫隔板的三片小箱梁跨中撓度差較大；無橫隔板的小箱梁邊梁最大撓度比有橫隔板的小箱梁邊梁最大撓度稍大4.64%。

表1 活載作用下跨中撓度

2.2 中橫隔板對小箱梁內(nèi)力的影響

在工程設(shè)計中，我們需要提取混凝土小箱梁構(gòu)件的內(nèi)力，并進行承載能力極限狀態(tài)驗算。本工程中中梁與邊梁基本尺寸一致，但邊梁的橫向分布系數(shù)比中梁大，受力更為不利，故本文重點對比分析邊梁在活載及承載能力基本組合作用下的內(nèi)力。

對于混凝土小箱梁，承載能力極限狀態(tài)驗算主要包括抗彎承載力驗算、抗剪扭承載力驗算?？箯澇休d力驗算最不利點為小箱梁跨中及支座處；抗剪扭承載力驗算最不利點一般為支點附近或小箱梁腹板變厚處。所以本文重點對比分析支點附近及腹板變厚處在有無設(shè)置橫隔板的情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力。內(nèi)力主要包括最大彎矩（見表2）、最大剪力及對應(yīng)扭矩（見表3）、最大扭矩及對應(yīng)剪力（見表4）。

表2 各荷載作用下邊梁最大跨中彎矩

表3 各荷載作用下邊梁最大支座彎矩

表4 活載作用下邊梁最大剪力及對應(yīng)扭矩

由表2 可見：由于橫隔板的自重作用，所以無橫隔板的小箱梁邊梁比有橫隔板的小箱梁邊梁承擔的恒載更小；但由于橫隔板能加強小箱梁的整體性，所以無橫隔板的小箱梁邊梁比有橫隔板的小箱梁邊梁承擔的活載更大。綜合計算，無橫隔板的小箱梁邊梁比有橫隔板的小箱梁邊梁在承載力極限基本組合下的跨中彎矩效應(yīng)稍偏小1.39%；支座彎矩效應(yīng)稍微偏小2.73%。

由表4 及表5 可見，有無設(shè)置橫隔板對支點及腹板變厚處的最大剪力影響不大，但對最大剪力對應(yīng)的扭矩影響較大。無橫隔板的小箱梁邊梁比有橫隔板的小箱梁邊梁在支點附近最大剪力效應(yīng)下對應(yīng)的扭矩小56.15%；在腹板變厚處最大剪力效應(yīng)對應(yīng)的扭矩小64.41%。這是由于橫隔板加強了橫向聯(lián)系，橫隔板向邊梁傳遞了部分中梁承受的荷載，從而邊梁承受了更大的扭矩。

表5 活載作用下邊梁最大扭矩及對應(yīng)剪力

工程經(jīng)驗表明：抗彎承載力驗算及配筋的抗剪扭承載力一般可以通過提高鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置來滿足驗算，但最小截面抗剪扭承載力的驗算取決于結(jié)構(gòu)尺寸，控制結(jié)構(gòu)驗算。所以本文重點對比研究有無橫隔板在承載能力基本組合作用下邊梁的最小截面抗剪扭承載力驗算，并計算安全系數(shù)（見表6）。

表6 承載能力基本組合作用下邊梁最小截面抗剪扭安全系數(shù)

由表6 可見：最小截面的抗剪扭承載力驗算最不利的工況為在最大剪力及對應(yīng)扭矩作用下腹板變厚處的驗算。由于腹板變厚處，無橫隔板的小箱梁邊梁與有橫隔板的小箱梁邊梁承載力極限基本組合下最大剪力相差不大，但最大扭矩明顯偏小。所以無橫隔板的小箱梁邊梁比有橫隔板的小箱梁邊梁最小截面抗剪扭安全系數(shù)較大5.81%。無橫隔板的小箱梁邊梁受力更有利。

3 結(jié) 論

本文主要研究預(yù)制混凝土小箱梁中橫隔板對結(jié)構(gòu)受力性能的影響。通過建立有中橫隔板及無中橫隔板的預(yù)制混凝土小箱梁Midas Civil 三維有限元對比模型，對小箱梁邊梁活載作用下的跨中撓度、各個工況下的小箱梁邊梁的內(nèi)力進行對比，得出如下結(jié)論：

（1）在偏心車道荷載作用下，由于中橫隔板加強了結(jié)構(gòu)整體性，無中橫隔板的三片小箱梁跨中撓度差比較大、邊梁最大撓度稍大4.64%。有無設(shè)置中橫隔板對跨中撓度影響不大。

（2）由于中橫隔板的自重作用，無中橫隔板的小箱梁邊梁比有中橫隔板的小箱梁邊梁承擔的恒載更小、活載更大、在承載力極限基本組合下的跨中彎矩偏小1.39%及支座彎矩效應(yīng)稍微偏小2.73%。有無設(shè)置中橫隔板對彎矩影響不大。

（3）無中橫隔板的小箱梁邊梁比有中橫隔板的小箱梁邊梁承擔的最大剪力相近，但最大剪力效應(yīng)下對應(yīng)的扭矩要明顯較小。這是由于中橫隔板加強了橫向聯(lián)系，中橫隔板向邊梁傳遞了部分中梁承受的荷載，從而邊梁承受了更大的扭矩。

（4）根據(jù)工程經(jīng)驗表明，抗彎承載力驗算及配筋的抗剪扭承載力一般可以通過提高鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置來滿足驗算，但最小截面抗剪扭承載力的驗算取決于結(jié)構(gòu)尺寸，控制結(jié)構(gòu)驗算。無中橫隔板的小箱梁邊梁最小截面的抗剪扭承載力驗算具有更高的安全系數(shù)。

綜上所述，設(shè)置中橫隔板對小箱梁可以略微減小結(jié)構(gòu)在偏心車道荷載下的撓度，但影響幅度不大。設(shè)置中橫隔板對小箱梁抗彎承載力驗算影響不大、對小箱梁抗剪扭承載力驗算更為不利。預(yù)制混凝土小箱梁可以考慮取消設(shè)置橫隔板，但應(yīng)進行必要的計算分析。