變箱室截面梁橋數(shù)值計(jì)算研究和探討

【摘 要】目前，全國(guó)大部分連續(xù)鋼構(gòu)梁橋，主梁部分箱室均為統(tǒng)一數(shù)量，但是極少部分在主梁部分進(jìn)行箱室數(shù)量上的變化，該變化都根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行變化。本文通過(guò)實(shí)際渡水情況對(duì)變箱室主梁進(jìn)行整體和局部分析、研究和探討。

【關(guān)鍵詞】連續(xù)鋼構(gòu)；變箱室；截面計(jì)算

1. 工程概況

（1）黔中水利樞紐是一座以灌溉、城鄉(xiāng)供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，并為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件的大型水利基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。由水源工程、灌區(qū)工程、貴陽(yáng)市供水和安順市供水工程等組成。工程分二期建設(shè)，一期工程計(jì)劃2015年建成，二期工程計(jì)劃2020年建成。一期工程包括水源工程、一期輸配水工程。

（2）其中位于總干45+244.00～46+080.00m，總長(zhǎng)836m，渡槽設(shè)計(jì)流量17.783m3/s，加大設(shè)計(jì)流量為21.002m3/s。上接明渠，下接明渠。渡槽總體布置為5.194m進(jìn)口漸變段+15m簡(jiǎn)支梁+2×50m簡(jiǎn)支梁+（100.55+2×180+100.55）m連續(xù)剛構(gòu)體系+2×50m簡(jiǎn)支梁+3×15m簡(jiǎn)支梁+9.706m出口漸變段；槽身縱坡比為1：1500；連續(xù)剛構(gòu)主梁為變箱變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，墩身為雙肢薄壁空心墩，基礎(chǔ)為2000mm挖孔灌注樁基礎(chǔ)。

2. 變截面計(jì)算

（1）焦家渡槽在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在渡槽總體布置5.194m處進(jìn)口漸變，在漸變過(guò)程中，由單箱單室變化為單箱雙室，單箱單室截面如圖1所示，單箱雙室截面如圖2所示。

（2）上述兩個(gè)截面為該渡槽漸變段前后兩個(gè)截面的示例圖，同時(shí)，我們虛擬一個(gè)和圖2所示的單箱雙室截面外輪廓相同尺寸的截面（如圖3所示），計(jì)算該截面的截面特性，以做相對(duì)應(yīng)的比較。

通過(guò)截面計(jì)算，可以得出上述三個(gè)截面的截面特性如表1所示。

（3）通過(guò)表1所示：截面1與截面2（單箱單室截面和單箱雙室截面）數(shù)據(jù)比較可以得到，單箱雙室截面比單箱單室的截面關(guān)于X軸和Y軸截面的抗剪面積更大，這與連續(xù)鋼構(gòu)橋，箱梁的尺寸的變化而引起的截面的變化引起的。但是截面2較截面1關(guān)于X軸和Y軸的慣性矩都較大，說(shuō)明截面2較截面1有較大的抗彎性能。同時(shí)，截面2與截面3（即外輪廓尺寸相同的單箱單室截面和單箱雙室截面）數(shù)據(jù)比較可以得到：截面2比截面3有較大的關(guān)于X軸和Y軸的抗剪面積，這與單箱雙室截面比單箱單室截面多一分箱室的截面，導(dǎo)致截面面積更大。同時(shí)截面2比截面3有較大的關(guān)于X軸和Y軸的慣性矩，說(shuō)明截面2較截面3有較大的抗彎性能。

（4）由上述比較可以得到，單箱雙室比單箱雙室有更好的抗彎和抗剪能力。

3. 數(shù)值解解析內(nèi)容和結(jié)果

3.1 計(jì)算模型的建立。

本次數(shù)值解計(jì)算采用Midas Civil結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立焦家渡槽的空間有限元模型。將結(jié)構(gòu)離散為275個(gè)單元， 290個(gè)節(jié)點(diǎn)。掛籃利用軟件中的掛籃系統(tǒng)模擬，每套掛籃劃分為2個(gè)單元。結(jié)構(gòu)離散圖見圖4。

3.2 主要計(jì)算內(nèi)容和結(jié)果。

3.2.1 特征值分析。

（1）自振是指彈性系統(tǒng)在沒(méi)有外部動(dòng)力的作用下形成的振動(dòng)。橋梁的自振頻率與橋梁的質(zhì)量和剛度有關(guān)。同時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)自振特性與結(jié)構(gòu)承載能力有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，自振頻率與橋跨剛度結(jié)構(gòu)撓度檢驗(yàn)系數(shù)存在一定關(guān)系。通過(guò)MIDAS軟件特征值分析，得到焦家渡槽的一階頻率為0.84Hz，一階振型圖見圖5，二階頻率為1.33Hz，二階振型圖見圖6。

（2）在該渡槽結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)主要發(fā)生豎向振動(dòng)，由于薄壁墩對(duì)該橋的動(dòng)力特性有較大的影響，使得連續(xù)鋼構(gòu)橋的固有振動(dòng)首先出現(xiàn)在剛度較小的部位。由一階振型可以看出，跨中部位由于截面面積較小，固剛度、強(qiáng)度也最弱，所以在該處出現(xiàn)振動(dòng)就較為明顯，該處振幅也相應(yīng)較大，這和該橋設(shè)計(jì)的幾何非線性也有相應(yīng)聯(lián)系。同時(shí)，該渡槽從一階頻率和二階頻率來(lái)看，都比較小，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的整體剛度較差。

3.2.2 變箱室單元局部分析。

（1）該渡槽在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在渡槽總體布置5.194m處進(jìn)口漸變，在漸變過(guò)程中，由單箱單室變化為單箱雙室。在流水荷載作用下，變箱室處的應(yīng)力分布如表2所示。

（2）通過(guò)表2應(yīng)力分布可以看出，在流水荷載作用下各截面沿豎向的應(yīng)力分布情況。頂部均受到壓應(yīng)力，值為-1.55MPa，說(shuō)明截面的變化對(duì)頂部產(chǎn)生影響較小。但是底部和變箱室處應(yīng)力發(fā)生了相應(yīng)的變化，單箱雙室截面在底部和變箱室處都較單箱截面小。

4. 結(jié)論

通過(guò)對(duì)焦家渡槽整體剛度和局部應(yīng)力的計(jì)算，得到該橋的在設(shè)計(jì)中，整體剛度較小。但是，在局部應(yīng)力計(jì)算中，得到單箱雙室比單箱單室受到的應(yīng)力偏小，固在材料方面可以得到相應(yīng)的優(yōu)化和節(jié)省。但是在實(shí)際工程中，變箱室對(duì)施工等各方面有更高的要求，固基本沒(méi)有研究和應(yīng)用。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2013）10-18-512

[作者簡(jiǎn)介] 滕書發(fā)（1983.2-），男，漢族，重慶交通大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事橋梁與隧道工程方面研究。