基于FEA全橋模型的預(yù)制小箱梁隱蓋梁受力分析研究

羅干生，史賢豪，肖海波

（1.寧波市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心，浙江 寧波 315042；2.寧波市城建設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315012）

0 引 言

城市橋梁建設(shè)中，為節(jié)約造價多以簡支梁和連續(xù)梁為主，常用的結(jié)構(gòu)形式為工字梁、T梁、空心板梁和小箱梁等。在橋梁設(shè)計中，由于預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)簡單，受力性能良好，施工技術(shù)成熟等優(yōu)點，可以適應(yīng)現(xiàn)行施工方法的要求，能做到上下部結(jié)構(gòu)同步施工，最大限度地縮短現(xiàn)場占用周期；此外還兼具經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較低，外觀美觀等優(yōu)點，因此得以廣泛應(yīng)用。

城市立交橋梁不僅需要滿足受力性能的要求，同時需要保證美觀協(xié)調(diào)，有效地利用橋下空間。隨著城市交通的發(fā)展，傳統(tǒng)樁柱式蓋梁已經(jīng)難以滿足城市橋梁對于空間限制以及美觀協(xié)調(diào)的高要求，隱蓋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。相對于傳統(tǒng)蓋梁構(gòu)造，隱蓋梁能有效降低結(jié)構(gòu)高度、增加橋梁美觀性等優(yōu)勢。然而由于結(jié)構(gòu)自身受力復(fù)雜，荷載傳遞至隱蓋梁的傳遞方式和作用機(jī)理尚不明了。目前國內(nèi)有關(guān)橋梁設(shè)計的各類設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中，尚無預(yù)制小箱梁隱蓋梁計算方法的規(guī)定和依據(jù)。

1 隱蓋梁受力分析

1.1 工程概況

寧波市某市政快速路高架標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為25.5 m（見圖1），設(shè)計荷載城-A級，主線及匝道小于35 m跨徑全部采用預(yù)制小箱梁。

圖1 橋梁橫斷面圖（單位：mm）

由于規(guī)劃道路距離較近，橋梁需降低橋面標(biāo)高來減少匝道長度，滿足路口通行要求。因此在此路段高架上部結(jié)構(gòu)采用隱蓋梁小箱梁，降低橋面標(biāo)高約2 m，減少匝道長度約35 m。

1.2 三維建模

本文取3×29 m小箱梁進(jìn)行計算，橋梁寬度25.5 m。根據(jù)隱蓋梁和小箱梁實際尺寸建立全橋FEA模型（見圖2），每個墩位布置雙支座，支座間距5.6 m，其中一根中橫梁處采用固定支座和橫橋向單向支座，其余橫梁均采用一個單向支座和雙向支座，保證結(jié)構(gòu)能夠自由變形。混凝土部分采用四面體單元生成實體網(wǎng)格，隱蓋梁和小箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用植入式鋼筋模擬，與混凝土耦合共同受力，見圖3。

圖2 FEA有限元全橋模型

圖3 全橋預(yù)應(yīng)力布置

橋面鋪裝荷載采用壓力荷載進(jìn)行施加，同時考慮升降溫的影響，汽車荷載根據(jù)Midas模型計算的最不利工況，進(jìn)行車輛荷載等效布置。

1.3 計算結(jié)果分析

（1）結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力計算

小箱梁及隱蓋梁預(yù)應(yīng)力采用Midas簡化模型進(jìn)行計算，其中縱向配索為考慮隱蓋梁的連續(xù)梁模型；橫向計算中Midas Civil模型考慮隱蓋梁自重、簡支小箱梁自重、二期鋪裝、預(yù)應(yīng)力和溫度荷載，其中二期鋪裝為3×29 m三跨連續(xù)單梁模型成橋階段的支點反力與簡支小箱梁自重之差，汽車荷載按照橫向等效車輪進(jìn)行加載。

在三跨連續(xù)小箱梁計算中，由于邊跨受力較大，應(yīng)力儲備較低，故在FEA整體模型中，按照邊跨最不利進(jìn)行汽車荷載布置，全橋正應(yīng)力計算結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 邊跨最不利汽車加載下全橋頂面正應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖5 邊跨最不利汽車加載下全橋底面正應(yīng)力云圖（單位：MP a）

采用Midas簡化模型計算配索結(jié)果，在全橋模型中各部位正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，具有較強(qiáng)可實施性。僅在小箱梁與隱蓋梁交界處，由于預(yù)應(yīng)力張拉導(dǎo)致交界處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計中應(yīng)采用構(gòu)造措施和配筋進(jìn)行加強(qiáng)。

（2）小箱梁與隱蓋梁交界處應(yīng)力計算

FEA計算后提取本聯(lián)小箱梁在恒載作用下產(chǎn)生豎向撓度，位移云圖見圖6。

圖6 恒載作用下豎向位移云圖

由圖6可得邊墩隱蓋梁在荷載作用下呈現(xiàn)上拱趨勢，中墩隱蓋梁呈現(xiàn)下?lián)馅厔?，見圖7。豎向位移不協(xié)調(diào)導(dǎo)致邊梁在隱蓋梁處主應(yīng)力較大，需加強(qiáng)配筋。在恒載作用下，小箱梁與隱蓋梁交界處存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致主拉應(yīng)力較大，主壓應(yīng)力較均勻，見圖8，設(shè)計時應(yīng)保證小箱梁縱向鋼筋的完整并減少隱蓋梁預(yù)應(yīng)力開槽對結(jié)構(gòu)的削弱，避免主拉應(yīng)力過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，可采用如下措施：采用單端交叉錨固，錨槽口遠(yuǎn)離應(yīng)力集中點；橫梁適當(dāng)外伸，避開應(yīng)力集中點；采用深埋套筒，避免結(jié)構(gòu)開槽。

圖7 荷載作用小箱梁與中墩隱蓋梁交界處正應(yīng)力（單位：MP a）

圖8 荷載作用小箱梁與邊墩隱蓋梁交界處正應(yīng)力（單位：MP a）

（3）邊墩隱蓋梁嵌固效應(yīng)

取恒載作用下Midas模型和FEA全橋模型進(jìn)行對比（見圖9、圖10），在恒載作用下Midas模型邊跨正應(yīng)力為-6.2 MPa，而FEA模型邊跨平均正應(yīng)力為-6.6 MPa，通過對比可得由于邊墩隱蓋梁對縱梁的嵌固作用，導(dǎo)致跨中正彎矩減少約6%，壓應(yīng)力儲備增加，因此在邊跨預(yù)應(yīng)力束設(shè)計中，可在Midas桿系模型基礎(chǔ)上適當(dāng)減少預(yù)應(yīng)力，節(jié)約橋梁造價，而中跨可按常規(guī)小箱梁設(shè)計。

圖9 恒載作用下Mida s模型梁底正應(yīng)力（單位：MP a）

圖10 恒載作用下FEA模型梁底正應(yīng)力（單位：MP a）

（4）小箱梁橫向分布系數(shù)

基于FEA計算軟件，采用實體單元建立隱蓋梁全橋模型，模型計算中將集中力P=1 000 kN依次作用于各片小箱梁跨中截面，采用計算各小箱梁的橫向分布系數(shù)。對各片小箱梁進(jìn)行編號，見圖11。

圖11 小箱梁編號示意圖

各片小箱梁橫向分布系數(shù)見圖12。

圖12 小箱梁橫向分布圖

由圖12可得，隱蓋梁小箱梁的橫向分布系數(shù)與常規(guī)小箱梁基本一致，但由于隱蓋梁支座影響，導(dǎo)致靠近支座處小箱梁橫向分布系數(shù)增大。

2 結(jié) 論

本文通過Midas Civil梁單元模型和Midas FEA全橋?qū)嶓w單元模型進(jìn)行對比分析，可得到以下結(jié)論：（1）采用FEA整體建模能有效模擬隱蓋梁受力情況，由于隱蓋梁支座影響，導(dǎo)致靠近支座處小箱梁橫向分布系數(shù)增大。（2）小箱梁與隱蓋梁交界處存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致主拉應(yīng)力較大，設(shè)計時應(yīng)保證小箱梁縱向鋼筋的完整并減少隱蓋梁預(yù)應(yīng)力開槽對結(jié)構(gòu)的削弱。（3）由于邊墩隱蓋梁對邊跨小箱梁的嵌固效應(yīng)，相比于常規(guī)簡支變連續(xù)小箱梁，隱蓋梁小箱梁設(shè)計中可考慮適當(dāng)優(yōu)化邊跨預(yù)應(yīng)力鋼束。