高架橋異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)研究

徐磊

摘要：高架橋容易被城市景觀建設(shè)以及擁擠的城市交通所影響，利用異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)能夠有效地將這些影響降到最低。相較于普通的建筑結(jié)構(gòu)，異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)在受力特性上有著顯著的不同。由于我國城市人口眾多，交通擁擠，因此高架橋的發(fā)展與建設(shè)水平處于國際領(lǐng)先地位，但是高架橋異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)的研究力度明顯不足。基于此，本文將結(jié)合工程實例對該空間結(jié)構(gòu)進行研究。

關(guān)鍵詞：高架橋；異形寬箱梁；空間結(jié)構(gòu)；研究

引言

為了將交通功能發(fā)揮到最大化，高架橋的橋梁寬度一般較大。但是隨著人類文明的進步，對公共設(shè)施的要求不僅體現(xiàn)在功能方面，還要求其具有文化性與舒適性。因此，對高架橋梁的景觀設(shè)計也逐漸重視起來。目前大部分的高架橋在設(shè)計橋梁橫斷面時都運用了曲線元素。異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)比一般的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，一些在普通結(jié)構(gòu)分析中能夠應(yīng)用的假定條件并不能同樣適用于異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段我國的高架橋建設(shè)數(shù)量及規(guī)模都在不斷擴大，對異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)在承載不同作用力的情況下的應(yīng)力分布情況進行分析得出的結(jié)論能夠作為高架橋設(shè)計優(yōu)化方案中重要的參考數(shù)據(jù)，對類似高架橋結(jié)構(gòu)的其他設(shè)計也能提供幫助。

1.工程實例

本文中應(yīng)用的實例為一座跨徑布置長達26+26M的立交橋，橋面寬度為17.35米至24.53米，在施工時應(yīng)用了滿堂支架。主梁的高度為兩米，頂板高度為0.55米至0.51米，整體來看結(jié)構(gòu)一般。

2.建立有限元模型

2.1梁格有限元模型。首先將整坐立交橋的整體空間模型建立起來，在每個節(jié)點應(yīng)用多于六個的自由度，并且包含三個不同方向的線位移與轉(zhuǎn)角位移。因為有可能發(fā)生立交橋的梁剪切變形對剛度矩陣產(chǎn)生影響的情況，所以梁單元模型有389個節(jié)點與688個梁單元。

2.2板殼單元模型。與上文中提到的梁格模型相同，每個節(jié)點也是應(yīng)用多于六個的自由度，并且包含三個不同方向的線位移與轉(zhuǎn)角位移。為了進一步提高箱梁計算的精確性，應(yīng)該充分考慮到MIDAS之中箱梁的頂?shù)装逶诩羟兄袠O有可能發(fā)生變形這一因素。與此同時，頂板、底板的劃分都應(yīng)該以一米為基本單位。全部的板單元模型總共需要有兩千九百多個節(jié)點與三千三百多個板單元。

3.對計算結(jié)果進行對比分析

3.1荷載工況。當(dāng)梁格與板單元模型所能承受的荷載作用與加載數(shù)量相等的時候，才能對這兩個模型的計算結(jié)果進行對比分析。因此在對比時務(wù)必考慮到這兩個結(jié)構(gòu)受到不同結(jié)構(gòu)的重力時會出現(xiàn)的情況，而且在計算活載時，荷載工況在取值時都應(yīng)該將相關(guān)的公路橋規(guī)中對頂?shù)能嚨篮奢d數(shù)值作為參考因素。在MIDAS之中，通常利用梁格法和板單元來計算模型，這樣得出的數(shù)值極易發(fā)生錯誤或者偏差。因此在分析撓度與應(yīng)力時，一般利用不同的分析方式計算上文中的兩種模型，再對結(jié)果進行對比。

3.2分析結(jié)構(gòu)。（1）在立交橋上沒有汽車通行時，在整體結(jié)構(gòu)的自身重力作用下，對板單元進行建模可以得出橋梁結(jié)構(gòu)具有的最大位移，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在第二個跨中時，能夠得到的實際位移值為5.23毫米。對梁格法進行建模能夠得出在受到結(jié)構(gòu)自身重力作用的情況時的位移情況和數(shù)值情況大致相同，這兩種建模方式得出的結(jié)果差距不會大于3%。（2）在其上有汽車通過時，由于受到汽車的重力第一跨時所得出的結(jié)構(gòu)受力情況發(fā)生了改變。對板單元進行建模得知在該情況下，第一跨跨中能夠獲得最大位移。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，此時的最大位移為1.03毫米。利用梁格法建立模型能夠得出最大位移也是在第一跨的跨中，數(shù)值達到1.21毫米。（3）汽車通過時，在汽車的荷載作用下計算第二個跨跨中看到的受力情況。都板單元建立模型能夠得出該情況下結(jié)構(gòu)能夠出現(xiàn)的最大位移，同樣出現(xiàn)在第二個跨跨中，得出的位移數(shù)值為0.96毫米。梁格法得出的最大位移數(shù)值同樣在第+跨跨中，同樣為0.96毫米，兩種誤差保持在4%左右。（4）汽車通過時，對板單元進行建模能夠得出第一、二個跨跨中時的受力，不論在板單元的建模還是梁格法的建模都能夠得知最大位移出現(xiàn)在第二個跨中，前者獲得的數(shù)值為0.64毫米，后者為0.67毫米。兩種方式所得出的數(shù)據(jù)的誤差與（3）中相同。（5）在受到偏載作用力時，梁肋1、2、3受力，第一與第+跨中的受力情況也能夠利用建立模型得知。對板單元建立模型能夠得知在此種情況下異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)的最大位移在第二個跨中，得到的數(shù)據(jù)為0.54毫米。同樣地，利用梁格法時得出的結(jié)論也同樣是最大位移出現(xiàn)在第二跨中，數(shù)據(jù)為0.56毫米。兩種建模方式得出的數(shù)據(jù)差異在4%之內(nèi)。（6）在受到偏載作用力時，梁肋4、5、6受力，第一與第二個跨中的受力情況同樣能夠利用建立模型得知。在此種情況下，兩種建模方式都能夠得出最大位移出現(xiàn)在第二跨跨中，數(shù)值分別為0.54毫米與0.56毫米，差異不差過4%。

4.結(jié)語

異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)在橫截面的作用力分布上十分不對稱，特別是橫向懸臂上，針對正應(yīng)力而言，懸臂的遠端低于內(nèi)側(cè)。針對構(gòu)造而言，上文對有效橫截面的問題進行了闡述，以平面桿為基點對其進行計算，得出的結(jié)果與實體分析更為接近。

異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁體系，其不同位置存在正、負剪力滯效應(yīng)，將懸臂部分去除，設(shè)計中腹板間距仍然沿襲常規(guī)標準，所以剪力滯效應(yīng)與普通的箱梁結(jié)構(gòu)基本一致。但是，由于正、負剪力滯效應(yīng)的存在，應(yīng)將預(yù)應(yīng)力的配束考慮在內(nèi)。在橋梁設(shè)計階段，如果全部按照剪力滯的分布圖進行配束，橋梁構(gòu)造會十分復(fù)雜，所以在全橫截面的范圍內(nèi)都應(yīng)該分布一定的預(yù)應(yīng)力。