預制小箱梁寬橋橫向分布系數計算分析

董學智

引言

隨著城市快速發展，交通量日漸增長，城市道路建設兼顧其功能性及綠化景觀效果，使得路幅寬度不斷增大，城市橋梁寬度也隨之加大。預制裝配式小箱梁施工技術成熟、工期短、造價低，因而被廣泛建設使用。設計工作中，裝配式梁橋的荷載橫向分布系數一般是簡化為平面桿系模型來計算，但對于寬橋結構，跨比多數大于0.5，甚至大于1，此時橋梁結構有更明顯的空間受力效應，荷載作用需考慮沿橋梁縱、橫向兩個方向傳遞，以平面分析方法計算會存在一定的誤差[1～2]。本文分別運用橋梁博士和Midas civil計算軟件對寬橋汽車荷載橫向分布系數進行計算、對比分析，為此類橋梁結構的設計提供參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

三亞市某跨涌橋一跨而過現狀河涌，橋梁跨徑為25m，橋梁左、右兩幅共寬55m，考慮沉降影響，中間設置2cm的斷縫，結構型式為預制預應力混凝土小箱梁。項目所在的道路范圍路幅寬，且中間有較寬的綠化帶，定位為“景觀大道”，因而橋上延續道路橫斷面布置，設置綠化帶，橋梁橫斷面布置為：4m步行道（含綠化）+4.5m自行車道+1m側綠化帶+14.5m車行道+3.5m中央綠化帶=55/2m，見圖1。

圖1 橋梁1/2橫斷面布置圖

每幅橋由7片中梁和2片邊梁共9片小箱梁組成，梁高1.4m，各片梁通過濕接縫、橋面現澆層及端橫隔梁接成整體，跨中無橫隔梁，預制小箱梁標準寬度2.4m，標準濕接段寬為0.7m，最內側濕接段寬為0.69m，橋面現澆層厚0.1m。

1.2 鉸接梁法

預制裝配式小箱梁結構，主橋各片梁之間用現澆的混凝土縱向企口縫連接，對于無中間橫隔梁的裝配式橋，主梁僅在翼緣板之間用鋼板或者采用伸出的交叉鋼筋連接。這種板梁之間的連接方式其剛度薄弱，受力狀態實際上接近于相互橫向鉸接的狹長板梁，結構在豎向荷載作用下，接縫內僅傳遞豎向剪力。此時，可采用鉸接梁法進行橫向分布系數的計算[3]。

1.3 剛接梁法

當相鄰板梁之間的連接剛度較大，可進似看成整體板梁的情況下，在鉸接梁法的基礎上，主梁接縫處考慮贅余彎矩。這種板梁之間的受力狀態實際上接近于數根橫向彈性連接的狹長板梁，在豎向荷載作用下，接縫處不僅傳遞豎向剪力，而且傳遞橫向彎矩。此時，可以采用剛接梁法進行橫向分布系數的計算。

1.4 梁格法

梁格法，即空間桿系法，梁格法的主要思路就是將上部結構用一個等效的平面梁格或空間構架來模擬。將分散在板式或箱梁每一區段內的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內，實際結構的縱向剛度集中于縱向梁格構件內，而橫向剛度則集中于橫向梁格構件內，其截面特性值較精確，同時避免平面假設造成的計算結果誤差。梁格法的重點是邊界條件模擬和網格單元的合理劃分，劃分原則為各縱梁均帶腹板、中性軸一致并且剛度等效，其計算結果的準確度與網格的劃分精度成正比。較于平面計算軟件橋梁博士，Midas Civil不能直接計算出橋梁結構的橫向分布系數，運用梁格法計算，需要先通過最不利荷載的布置求得各片主梁的撓度值大小，再與由單片主梁上跨中加載所得的撓度值作比進而求得各片主梁的荷載橫向分布系數[4～5]。

2 汽車荷載橫向分布系數計算

如圖1，小箱梁從橋外側邊緣向道路中心線位置依次編號為1～9，計算跨徑為24m，小箱梁跨中無中橫隔梁聯系。本文主要計算預制小箱梁跨中位置汽車荷載的橫向分布系數，不考慮橋面現澆層的影響。

2.1 鉸接梁法計算

借助Midas截面特性計算器，計算邊梁（1、9號梁）、中梁（2～8號梁）各自抗彎慣矩及抗扭慣矩，運用橋梁博士進行橫向分布計算。各片梁體之間鉸接，計算小箱梁各片梁的影響線數值，其中橋面橫向布置為8.5m（人行道及非機動車道）+1m（側綠化帶）+14.5m（機動車道）+3.5m（中央綠化帶），橋面中線距首梁距離為27.5m。車行道總寬14.5m，汽車荷載橫向分布系數計算需考慮單車道、雙車道、三車道和四車道對比，計入汽車車道折減系數，求得各片梁跨中最大的橫向分布系數。

2.2 剛接梁法計算

運用橋梁博士剛接梁法進行計算，各片梁體之間剛接，計算小箱梁各片梁的影響線數值。截面抗彎慣矩、抗扭慣矩及橋面橫向布置同鉸接梁法，計算各片梁的影響線數值及考慮多車道折減后跨中最大的汽車荷載橫向分布系數。

2.3 梁格法計算

梁格法計算模型如圖2，縱向分為9片小箱梁，兩側邊梁處設置虛擬縱梁；橫向梁格共設置15片虛擬橫梁，虛擬橫梁的截面高度取小箱梁翼緣板高度0.18m，虛擬橫梁重量設置為0；梁端設置端橫梁，寬度為0.25m，高1.25m。車行道范圍內對最不利汽車荷載布置進行計算，計入多車道折減系數，求出各片梁的跨中撓度值，與單梁跨中作用下的撓度值作比，求得各片梁的最大橫向分布系數值。

圖2 空間梁格計算模型

3 計算結果對比分析

結合實際工程，分別用簡化計算方法和空間有限元計算方法求得各片梁汽車荷載的最大橫向分布系數，并以梁格法計算結果為準進行誤差對比，統計結果如表1。

表1 橫向分布系數對比

本工程橋面橫向布置有較寬的人行道、非機動車道和綠化帶，所以1～3號梁跨中橫向分布系數與車行道范圍內梁體相差較大；14.5m寬的車行道需進行多車道車輛荷載對比，并考慮車道折減系數，鉸接梁法計算的4～8號梁橫向分布系數較大于剛接梁法計算結果，1～3號梁計算結果較小于剛接梁法；鉸接梁法與梁格法計算結果對比，誤差范圍為-7.79～7.17%，平均誤差為2.8%；剛接梁法與梁格法計算結果對比，誤差范圍為-5.60～8.76%，平均誤差為5.4%。

4 結論

通過對三種方法計算結果的對比分析，得到以下結論：

（1）跨中無橫隔梁的小箱梁寬橋，鉸接法、剛接法橫向分布系數計算結果與梁格法計算結果誤差不大，實際工程可采用簡化的計算方法。

（2）小鉸接法和剛接法計算結果相差不大，可取計算結果較大的橫向分布系數指導設計。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，1985.

[2]曼亞平，高峰，賀蘭軍.農業路快速通道預制箱梁橋橫向分布系數計算方法研究[J].工程聚焦，2017（3）：94～96.

[3]趙 耀.密排式小箱梁橫向受力分布研究[J].低溫建筑技術，2011（2）：60～61.

[4]陳雙聰，陳勇，吳濤.裝配式小箱梁寬橋橫向分布計算方法研究[J].華東公路，2016（2）：5～7.

[5]鐘小軍.裝配式小箱梁橋橫向分布系數探究[J].中國市政工程，2013（2）：17～19.