現澆連續箱梁橫梁計算分析及研究

曹志光

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060）

現澆連續箱梁橫梁計算分析及研究

曹志光

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060）

以一座三跨（3×30 m）預應力混凝土連續箱梁橋為工程背景，采用空間有限元（ANSYS實體有限元）進行建模分析，并根據橫梁受力特點，提出一些計算方法，為同類工程設計提供參考。

連續箱梁；橫梁；有限元

0　引言

現澆連續箱梁具有整體性能好、行車舒適、便于養護、外形美觀等優點［1］，被廣泛運用于橋梁建設中。在實際的工程設計中，需要對箱梁的縱向和橫梁進行計算。對于絕大多數空間效應不明顯的現澆箱梁，縱向計算可采用單梁有限元模型計算分析，得到可靠的計算結果。但是，對于橫梁計算，隨著計算參數、荷載取值的不同，計算結果往往有較大出入。橫梁是箱梁結構的重要受力構件，承受的荷載很大，橫梁計算結果準確與否至關重要。對現澆箱梁橫梁驗算，一般可將橫梁總體模型分割出，然后做邊界條件處理：其一為將縱梁剪力轉換為外力施加到橫梁時的準確簡化；其二是橫梁寬度方向上幾何尺寸的選定（有效寬度）。有效寬度可取橫梁本身寬度，也可根據規范［2］取橫梁有效寬度，具體可根據工程項目實際狀況分析后決定，對超載現象，路段繁忙的重要橋梁建議取前者。然而，對剪力轉化為外力施加到橫梁的方法尚存在不同看法，那么縱向傳遞至分割后的橫梁的剪力如何分配，荷載如何施加，本文通過ANSYS有限元軟件對3×30 m箱梁進行了計算分析，得出其橫梁上縱向剪力分布規律及其荷載的施加方法。

1　工程實例

本文以一座3×30 m三跨預應力混凝土等高連續箱梁為工程背景，該橋位于直線上，梁高1.8 m。箱梁采用C50混凝土，箱梁截面采用單箱三室，箱梁頂寬20 m，底寬15 m，懸臂板長2.5 m。主梁頂板厚度為25 cm，腹板厚度為45～65 cm，底板厚度為22 cm，端橫梁寬1.5 m，中橫梁寬2 m。主墩采用雙圓形柱式墩，主墩柱徑1.8 m，樁徑2 m，支座間距為9 m。箱梁一般構造如圖1和圖2所示。

圖1　箱梁1/2立面（單位：cm）

圖2　箱梁腹板加厚處典型斷面（單位：cm）

2　計算方法分析

2.1空間有限元模型

本文利用大型有限元軟件ANSYS對上述3× 30 m連續箱梁建立1/2上部結構對稱模型，采用solid45實體單元對上述3×30 m箱梁的模型進行單元劃分，對稱全模型共25 806單元、144 116節點（見圖3），在支座位置建立節點位移約束，跨中截面節點建立對稱約束，并對其進行了恒載作用下的計算，相關示意結果如圖4所示。之后采用單元節點力求和法提取中橫梁邊緣截面A-A（見圖1）的剪力。并將A-A截面各子區域的剪力與全截面剪力進行了百分比比較（見表1、圖5～圖7）。對于實體單元結構，要提取某一截面或此截面某一子區域截面剪力時，可選擇截面的節點及其一側節點所屬單元，之后采用fsum命令提取剪力，即單元節點力求和法［3］。

圖3　1/2有限元對稱模型

圖4　恒載作用下的中橫梁位移及邊界節點力示意圖（支座間距S=9 m）

圖5　截面劃分區域圖（單位：cm）

圖6　恒載作用下截面剪力分布圖（支座間距S=9 m，此時支座略靠近中腹板）

圖7　恒載作用下截面剪力分布圖（支座間距S=12 m，此時支座靠近邊腹板）

表1　恒載作用下截面剪力分布

2.2恒載作用下截面的剪力分布規律

利用有限元軟件ANSYS，通過對多組不同的支座間距S下的上述箱梁模型進行計算分析，得出一些規律。其中表1列出兩組支座間距（S=9 m及S=12 m）的計算數據。

（1）大部分（80%左右）的縱向剪力作用在橫梁的腹板區域，其中各腹板剪力大小和支座布置關系密切，靠近支座腹板傳遞給橫梁的剪力大于遠離支座腹板傳遞給橫梁的剪力。

（2）其余較多部分的縱向剪力作用在腹板相關倒角區域；其余較少部分的縱向剪力作用在各腹板間頂底板區域；其中相對離支座位置區域近一些的區域的剪力更大。

實際工程設計在采用桿系結構計算橫梁時可根據以上規律：可將80%的恒載（扣除橫梁范圍內的恒載），以集中力的形式或均布力的方式施加于腹板上，同時可根據腹板與支座的距離來確定各腹板分配力的比例，靠近支座腹板分配的集中力可大些。

20%的恒載（扣除橫梁范圍內的恒載）以均布荷載的形式布置于各腹板之間，同時，靠近支座范圍的區域分配的均布荷載可大些。

有文獻［4］提出通過增大橫梁剛度來實現各腹板集中腹板受力更加均勻，使得腹板受力合理，本次計算將橫梁剛度提高1倍，橫梁寬度為4 m，上述支座間距為12 m情況下，邊腹板承受的剪力為935 926.2 kN，中腹板承受的剪力為798 348.4 kN，這說明即使橫梁寬度取4 m，也滿足上述剪力傳遞的規律，雖然起到一定效果，但難以使得各腹板受力均勻，且實際工程設計，像此類跨徑橋梁，一般不將橫梁寬度取至4 m。

2.3車輛荷載作用下截面的剪力分布規律

對于車輛荷載施加在橫梁上的方法，有諸多文獻提到求出一個車道荷載作用下支座的最大支反力F，以該反力F作為車輛的軸重，在橫梁車輛行駛范圍內進行影響線加載，如圖8所示。

圖8　汽車荷載作用在橫梁上加載方法1

此方法適用于箱室腹板間距較小、橋梁跨徑較小的情況，當車輛作于橫梁范圍時，受力情況與此計算方法接近。當腹板間距較大、橋梁跨徑較大時，此方法與實際的橫梁受力情況可能存在一定的差別。當車輛荷載作用于橋梁跨中時，這時車輛荷載是通過箱梁頂板傳遞給腹板，然后腹板再把力傳遞給橫梁，也即大部分車輛荷載以腹板剪力的方式傳遞給橫梁，本文通過幾個算例計算，并將其中一組數據列于表2（工況為一個后軸車輪荷載，縱橋向位置為主跨跨中，橫向位置為左側邊腹板與左側中腹板正中間）。

通過計算可知，跨中活載（車輛活載）符合上述恒載作用下縱向剪力分配的規律，且還具有一些其他特點：

（1）跨中活載大部分（80%左右）的縱向剪力作用在橫梁的腹板區域，其中各腹板剪力大小和支座布置關系密切，靠近支座腹板傳遞給橫梁的剪力大于遠離支座腹板傳遞給橫梁的剪力；各腹板剪力大小與車輪活載位置距離關系密切，靠近車輪位置的腹板承受較大剪力。

（2）其余較多部分的縱向剪力作用在腹板相關倒角區域；其余較少部分的縱向剪力作用在各腹板間頂底板區域；其中車輪布載區域和相對離支座位置區域的剪力更大。

由上可知，大部分縱向剪力以集中力的方式以腹板剪力的方式傳遞給橫梁，那么車輛活荷載如何實現絕大部分剪力施加在橫梁腹板處，可以通過附加虛擬橋面單元來進行建模分析，此分析可作為一種附加計算方法對模型進行校核計算，如圖9所示。

表2　車輪荷載作用下截面剪力分布

圖9　汽車荷載作用在橫梁上的附加橋面單元的加載方法

2.4其他荷載施加方法

計算連續箱梁的橫梁時，應將縱向整體計算時溫度梯度荷載、收縮徐變、各墩臺的基礎沉降等一切引起支座反力的荷載效應，施加到橫梁上，施加方法可根據上述恒載作用下的剪力分配方法將其作于橫梁上。

3　結　語

本文采用空間有限元計算及分析，得出一些關于橫梁計算加載的規律：

（1）大部分（本工程算例為80%左右）恒載下的縱向剪力作用在橫梁的腹板區域，其中各腹板剪力大小和支座布置關系密切，靠近支座腹板傳遞給橫梁的剪力大于遠離支座腹板傳遞給橫梁的剪力。其余較多部分恒載下的縱向剪力作用在腹板相關倒角區域；其余較少部分的縱向剪力作用在各腹板間頂底板區域，且支座范圍箱室內區域傳遞的剪力較大；其余極少部分的縱向剪力作用在懸臂區域，計算時可以忽略。

（2）車輛活荷載傳給橫梁的剪力符合恒載作用下剪力傳遞給橫梁的規律，其腹板所受車輛活載剪力的大小還與車輛荷載距離腹板的遠近關系密切，靠近車輪荷載的腹板會承受較大的車輛活載剪力。對有限元模型施加車輛荷載時，可通過附加橋面單元方法對橫梁模型進行校核計算。

（3）給橫梁施加荷載應考慮縱向溫度、縱向預應力效應、收縮徐變、各墩臺基礎沉降等一切引起支座反力的荷載效應。

對異形箱梁、斜橋、彎橋受扭效益明顯，各腹板所受剪力會出現較大不均勻分配，故必要時應通過梁格到各腹板的剪力分布情況（梁格法類似于全腹板集中力加載法），或通過實體分析得出橫梁附近整個截面的剪力分布情況，以準確判斷橫梁的受力特點。

［1］姚玲森.橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［3］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［4］楊秀珍，王勇.單箱雙室預應力混凝土梁橋橫梁計算方法探討［J］.科技創新導報，2012（15）.

U448.21+5

B

1009-7716（2016）07-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.040

2016-03-08

曹志光（1984-），男，湖南益陽人，工程師，從事橋梁設計工作。