左挑臂蓋梁的分析及計(jì)算

葉瑞青

1 概述

橋墩蓋梁是公路橋梁中最常見的結(jié)構(gòu)之一,其主要作用是承擔(dān)上部梁體,橋面系以及自重產(chǎn)生的恒載,同時(shí)要經(jīng)受使用期間的活載的作用,蓋梁的結(jié)構(gòu)形式從橫斷面形式上劃分主要有三種,分別為:矩形、“T”字形、“L”形。矩形主要用于直線和大曲線半徑橋梁,“T”字形主要用于小曲線預(yù)制橋梁,“L”形主要用于變跨徑的分隔墩有錯(cuò)臺的蓋梁。在構(gòu)造上,樁柱的鋼筋一般都伸入蓋梁內(nèi),與蓋梁的鋼筋綁扎成整體,因此蓋梁與樁柱剛接成剛架結(jié)構(gòu)。

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁是橋梁設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)行的JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定:多柱式墩臺的蓋梁按連續(xù)梁計(jì)算,對于雙柱式墩臺,當(dāng)蓋梁的剛度與柱的剛度之比大于5時(shí),可按簡支(懸臂)梁計(jì)算。但上述的簡化模式過于粗糙,將空間框架結(jié)構(gòu)簡化為桿系(簡支或連續(xù)梁),將墩柱與蓋梁的連接忽略為點(diǎn)支撐,這使得計(jì)算結(jié)果偏大,按此進(jìn)行的配筋設(shè)計(jì)往往過于保守。同時(shí),對于工程常見的三柱式墩臺蓋梁,按兩跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算時(shí),需求解超靜定方程,不宜手算,給設(shè)計(jì)人員帶來了一定的不便。而且對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)手算的難度更大,為此我們要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算。對于計(jì)算機(jī)模擬有多種方法,對于結(jié)果的可靠性存在一個(gè)自行判定的過程。本文通過兩種不同的程序計(jì)算雙柱式預(yù)應(yīng)力混凝土左挑臂蓋梁的內(nèi)力水平,得出一些有益的結(jié)論。

對于雙柱式蓋梁,現(xiàn)行的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定:當(dāng)蓋梁的剛度與柱的剛度之比大于5時(shí),可按簡支(懸臂)梁計(jì)算,按這樣的假定計(jì)算使得跨中彎矩明顯偏大。當(dāng)蓋梁的剛度與柱的剛度之比小于5時(shí),規(guī)范沒有做出明確的規(guī)定,這使得公路橋梁的設(shè)計(jì)人員遇到此類問題時(shí)變得無所適從,不知如何處理最適當(dāng)。筆者認(rèn)為當(dāng)蓋梁的剛度與柱的剛度之比小于5時(shí),或者橋墩承受較大橫向力時(shí),蓋梁應(yīng)作為橫向剛架的一部分予以驗(yàn)算。

2 模型的建立

本文分別運(yùn)用有限元程序Midas civil和平面桿件程序橋梁博士建立模型,選取了一左挑臂預(yù)應(yīng)力蓋梁作為計(jì)算實(shí)例,重點(diǎn)闡述兩種不同程序計(jì)算結(jié)果的差異以及在建模計(jì)算過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。在Midas程序中將蓋梁模型離散為26個(gè)單元,蓋梁端部截面高1.0 m,標(biāo)準(zhǔn)截面高2.0 m,寬 1.9 m,總長度為 22.46 m。模型中蓋梁與墩柱之間用程序中彈性連接中的剛性進(jìn)行連接,符合實(shí)際情況,這樣處理比較適當(dāng)。另外墩柱與承臺之間、承臺與樁基之間均采用固結(jié)的方式處理。為了使結(jié)果更具有真實(shí)性,同時(shí)也建立了橋墩立柱和承臺及樁基模型。有限元模型如圖1所示。

本文利用Midas civil有限元程序中的橫向加載功能來施加上部結(jié)構(gòu)的活載,得出蓋梁跨中截面彎矩和墩柱內(nèi)側(cè)支點(diǎn)截面彎矩及懸臂根部彎矩。預(yù)應(yīng)力蓋梁的計(jì)算過程中應(yīng)重視施工階段的分析,本文將左挑臂蓋梁的計(jì)算劃分為5個(gè)施工階段:第一施工階段為澆筑蓋梁及墩柱并對稱張拉部分預(yù)應(yīng)力階段;第二階段為施加上部梁板恒載階段;第三階段為張拉剩余預(yù)應(yīng)力階段;第四階段為施加上部剩余恒載階段包括橋面鋪裝和附屬結(jié)構(gòu)恒載;第五施工階段為徐變收縮階段,該階段模擬收縮徐變3 650 d產(chǎn)生的效應(yīng)。

在平面桿件程序橋梁博士模型中蓋梁離散為20個(gè)單元,蓋梁截面尺寸和長度與Midas civil中的模型相同,預(yù)應(yīng)力布置也基本相同,在橋博模型中蓋梁與墩柱的連接采用公用同一節(jié)點(diǎn)的方式處理,與實(shí)際情況相同。同樣在橋博模型中也模擬了5個(gè)施工階段,各施工階段的施工內(nèi)容與Midas civil相同,如此結(jié)果更具有可比性。橋博離散模型如圖2所示。

3 計(jì)算分析結(jié)果

蓋梁的作用是承受上部結(jié)構(gòu)及橋面系的恒載及自身自重以及要承受使用期間的活載,并把荷載通過墩柱和樁基傳遞到地基。對于最不利活載加載,首先可根據(jù)所計(jì)算蓋梁處上部結(jié)構(gòu)支反力影響線確定活載最大支反力,其次是根據(jù)蓋梁內(nèi)力影響線決定活載最不利橫向位置。蓋梁內(nèi)力計(jì)算時(shí),可考慮樁柱支撐寬度對削減負(fù)彎矩尖峰的影響。因橋墩臺沿縱向的水平力及當(dāng)蓋梁在縱橋向設(shè)置有兩排支座時(shí)而產(chǎn)生的上部結(jié)構(gòu)活載偏心力將對蓋梁產(chǎn)生扭矩,應(yīng)予以考慮。

兩種程序內(nèi)力計(jì)算選取跨中截面、支點(diǎn)截面及左挑臂根部截面為控制截面,內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1,表2所示。

表1 彎矩計(jì)算結(jié)果 kN·m

表2 剪力計(jì)算結(jié)果 kN·m

由表1,表2結(jié)果可以看出,兩種程序的計(jì)算結(jié)果大致相同。由于是左挑臂,故左支點(diǎn)負(fù)彎矩明顯大于右支點(diǎn)。剪力的結(jié)果同樣如此。

4 結(jié)語

1)本文闡述了公路橋梁中常見的蓋梁計(jì)算中的問題,對于蓋梁的作用及形式進(jìn)行了闡述,并選取了非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中的預(yù)應(yīng)力左挑臂蓋梁作為計(jì)算模型,并準(zhǔn)確模擬了其施工過程,合理處理了各個(gè)階段力的施加及邊界條件的應(yīng)用。2)本文應(yīng)用大型有限元程序Midas civil和橋梁設(shè)計(jì)中常用的平面桿件程序橋梁博士對預(yù)應(yīng)力混凝土左挑臂蓋梁進(jìn)行計(jì)算,應(yīng)用程序特有的橫向加載功能,得到承載能力極限狀態(tài)下的內(nèi)力,并做了比較。3)從計(jì)算結(jié)果看,兩種程序相差不大,說明模型的建立包括荷載的施加、邊界條件的應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼束線形的選擇及預(yù)應(yīng)力的施加都較準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)中可用其中一種程序進(jìn)行計(jì)算,另一種程序進(jìn)行驗(yàn)算,以保證結(jié)果的可靠性。

[1] 姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2] 易建國.混凝土簡支梁橋[M].北京:人民交通出版社,2006.

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