曲線槽形連續(xù)剛構(gòu)橋的板梁結(jié)合有限元分析

張憲亮

摘 要 預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁是一種下承式橋梁結(jié)構(gòu)，具有建筑高度低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在城市高架橋應(yīng)用中擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。武漢樞紐新墩至漢西上行聯(lián)絡(luò)線漢西大橋采用（37+64+37）m單線連續(xù)槽形剛構(gòu)，曲線半徑580m，邊梁采用等I型高度截面梁，橋墩采用薄壁雙肢墩，轉(zhuǎn)體施工，結(jié)構(gòu)整體構(gòu)造簡(jiǎn)單。但槽形截面梁作為一種開口式薄壁結(jié)構(gòu)，其承受彎扭耦合作用時(shí)的力學(xué)性能更為復(fù)雜，采用板梁結(jié)合空間有限元模型能夠更準(zhǔn)確的分析其受力特性。

關(guān)鍵詞 曲線梁 槽形梁 板梁結(jié)合 有限元

中圖分類號(hào)：U448.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

漢樞紐漢西特大橋上跨既有武康線與既有京廣線，跨越處武漢樞紐鐵路平面曲線半徑為580m，軌底標(biāo)高33.58m，既有武康線與既有京廣線軌頂標(biāo)高分別為24.90m、24.30m，要求凈空為6.90m。為滿足橋下凈空及限界的要求，主橋上部結(jié)構(gòu)采用（37+64+37）m連續(xù)槽形剛構(gòu)結(jié)構(gòu)。全橋立面布置圖如圖1所示。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邊梁為I型，其頂板寬2.0m，厚0.8m，跨中截面腹板寬0.6m，中支點(diǎn)截面腹板加寬為1.1m。端支點(diǎn)截面為矩形，寬2.0m。槽形梁底板寬11m，厚0.6m。薄壁雙肢墩壁厚1.1m，高6.0m。上承臺(tái)高3.0m，為半徑13.0m的圓形；下承臺(tái)高3.0m，為內(nèi)切圓半徑13.8m的正八邊形。上下承臺(tái)間設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。

梁部及墩柱采用C55高性能混凝土，其軸心抗壓極限強(qiáng)度 fc=37Mpa，軸心抗拉極限強(qiáng)度fct=3.3Mpa，彈性模量Ec=3.60？04Mpa；

承臺(tái)采用C40混凝土。

在腹板上翼緣、腹板和底板內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fpk=1860MPa、彈性模量為Ep=195GPa，公稱直徑為15.2mm高強(qiáng)度鋼絞線，其技術(shù)條件符合GB5224標(biāo)準(zhǔn)（見圖2、圖3）。

2小半徑曲線梁受力特點(diǎn)

曲線梁尤其是超小半徑預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁的受力狀態(tài)復(fù)雜。在外荷載作用下，曲線梁橋不僅有豎向變形還有扭轉(zhuǎn)變形，梁截面內(nèi)產(chǎn)生彎矩的同時(shí)必然伴隨著“耦合扭矩”的產(chǎn)生。且曲線半徑越小，彎扭耦合現(xiàn)象越明顯。由于曲線半徑的影響，曲線梁內(nèi)外側(cè)梁長(zhǎng)不等，因此兩側(cè)恒載不均，會(huì)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)扭矩。且因計(jì)算跨度不等，兩側(cè)梁部?jī)?nèi)力、應(yīng)力和位移均不對(duì)稱。

3有限元模型

3.1單元?jiǎng)澐?/p>

將梁部結(jié)構(gòu)截面分為左、右邊梁和橋面板三部分，其中邊梁為頂?shù)装逡砭壘鶠?.0m的I型梁?jiǎn)卧粯蛎姘鍨榉植荚趯?.0m范圍內(nèi)的四個(gè)板單元。，通過設(shè)置偏心使梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)位置在I型梁中軸線上距底緣0.3m處，與橋面板單元中心對(duì)齊。梁部截面上板、梁?jiǎn)卧膭澐秩鐖D3所示。

雙肢墩的墩壁用板單元模擬，上下承臺(tái)用梁?jiǎn)卧M。

見圖4。

3.2板梁結(jié)合

板梁組合系理論，是用縱向水平縫沿板梁 交結(jié)處將各主梁梁肋與橋面板分割開來，橋面板看作是支承在各柔性主梁上的多 跨彈性支承連續(xù)曲板。

為了使用板單元與梁?jiǎn)卧獏f(xié)同作用，將梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)與鄰近的板單元節(jié)點(diǎn)之間建立剛臂約束。剛臂約束契合梁?jiǎn)卧钠浇孛婕俣ǎ戳簡(jiǎn)卧孛鎯?nèi)剛度無窮大。剛臂單元在傳遞橋面板作用的同時(shí)，能夠很好的照顧橋面板與邊梁的變形協(xié)調(diào)。利用梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)的位移以及梁?jiǎn)卧孛胬@節(jié)點(diǎn)的截面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可以近似得到與梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)鄰近的板單元節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的位移。

3.3邊界條件

在梁端處，在曲線內(nèi)、外兩側(cè)腹板梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)上分別設(shè)置單向支承和雙向支承；在承臺(tái)底設(shè)置固定支承。

計(jì)算活載采用中活載，通過在橋面板單元上設(shè)置車道面加載。

二恒采用13.2kN/m2，分布設(shè)置在所有橋面板單元上。

3.4加載預(yù)應(yīng)力

為了在槽形梁橋面板中添加預(yù)應(yīng)力筋，利用板單元的節(jié)點(diǎn)建立一系列縱橋向布置的虛梁?jiǎn)卧Ｌ摿簡(jiǎn)卧牟牧咸匦灾械膹椥阅Ａ亢筒牧现囟仍O(shè)置為無窮小。在兩側(cè)邊梁的上緣、下緣和腹板內(nèi)分別施加預(yù)應(yīng)力荷載，并把布置橋面板內(nèi)的預(yù)應(yīng)力荷載施加到虛梁?jiǎn)卧稀?/p>

4計(jì)算結(jié)果

4.1應(yīng)力

（見表1、圖5。）

4.2強(qiáng)度

（見表2）

4.3位移

5結(jié)論

（1）采用板梁結(jié)合的方法，可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析，而且避免了梁格法中對(duì)橫梁的抽象簡(jiǎn)化。

（2）槽形截面梁屬于薄壁開口截面結(jié)構(gòu)，抗扭剛度較小，在彎扭耦合作用下會(huì)產(chǎn)生截面畸變。

（3）小半徑曲線梁橋的內(nèi)外兩側(cè)受力和變形不均，外側(cè)應(yīng)力和位移均比內(nèi)側(cè)大，不能簡(jiǎn)單的按直線橋簡(jiǎn)化計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1] TB10002.3-2017，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JTG D62-2012，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[S].