曲線槽形連續剛構橋的板梁結合有限元分析

張憲亮

摘 要 預應力混凝土槽形梁是一種下承式橋梁結構，具有建筑高度低、施工方便等優點，在城市高架橋應用中擁有獨特的優勢。武漢樞紐新墩至漢西上行聯絡線漢西大橋采用（37+64+37）m單線連續槽形剛構，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，轉體施工，結構整體構造簡單。但槽形截面梁作為一種開口式薄壁結構，其承受彎扭耦合作用時的力學性能更為復雜，采用板梁結合空間有限元模型能夠更準確的分析其受力特性。

關鍵詞 曲線梁 槽形梁 板梁結合 有限元

中圖分類號：U448.38 文獻標識碼：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，軌底標高33.58m，既有武康線與既有京廣線軌頂標高分別為24.90m、24.30m，要求凈空為6.90m。為滿足橋下凈空及限界的要求，主橋上部結構采用（37+64+37）m連續槽形剛構結構。全橋立面布置圖如圖1所示。

1結構設計

邊梁為I型，其頂板寬2.0m，厚0.8m，跨中截面腹板寬0.6m，中支點截面腹板加寬為1.1m。端支點截面為矩形，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。上承臺高3.0m，為半徑13.0m的圓形；下承臺高3.0m，為內切圓半徑13.8m的正八邊形。上下承臺間設置轉動系統。

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

承臺采用C40混凝土。

在腹板上翼緣、腹板和底板內布置預應力筋。預應力筋采用抗拉強度標準值為fpk=1860MPa、彈性模量為Ep=195GPa，公稱直徑為15.2mm高強度鋼絞線，其技術條件符合GB5224標準（見圖2、圖3）。

2小半徑曲線梁受力特點

曲線梁尤其是超小半徑預應力混凝土曲線梁的受力狀態復雜。在外荷載作用下，曲線梁橋不僅有豎向變形還有扭轉變形，梁截面內產生彎矩的同時必然伴隨著“耦合扭矩”的產生。且曲線半徑越小，彎扭耦合現象越明顯。由于曲線半徑的影響，曲線梁內外側梁長不等，因此兩側恒載不均，會產生較大的旋轉扭矩。且因計算跨度不等，兩側梁部內力、應力和位移均不對稱。

3有限元模型

3.1單元劃分

將梁部結構截面分為左、右邊梁和橋面板三部分，其中邊梁為頂底板翼緣均為2.0m的I型梁單元；橋面板為分布在寬7.0m范圍內的四個板單元。，通過設置偏心使梁單元節點位置在I型梁中軸線上距底緣0.3m處，與橋面板單元中心對齊。梁部截面上板、梁單元的劃分如圖3所示。

雙肢墩的墩壁用板單元模擬，上下承臺用梁單元模擬。

見圖4。

3.2板梁結合

板梁組合系理論，是用縱向水平縫沿板梁 交結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 跨彈性支承連續曲板。

為了使用板單元與梁單元協同作用，將梁單元節點與鄰近的板單元節點之間建立剛臂約束。剛臂約束契合梁單元的平截面假定，即梁單元截面內剛度無窮大。剛臂單元在傳遞橋面板作用的同時，能夠很好的照顧橋面板與邊梁的變形協調。利用梁單元節點的位移以及梁單元截面繞節點的截面內旋轉，可以近似得到與梁單元節點鄰近的板單元節點節點的位移。

3.3邊界條件

在梁端處，在曲線內、外兩側腹板梁單元的節點上分別設置單向支承和雙向支承；在承臺底設置固定支承。

計算活載采用中活載，通過在橋面板單元上設置車道面加載。

二恒采用13.2kN/m2，分布設置在所有橋面板單元上。

3.4加載預應力

為了在槽形梁橋面板中添加預應力筋，利用板單元的節點建立一系列縱橋向布置的虛梁單元。虛梁單元的材料特性中的彈性模量和材料重度設置為無窮小。在兩側邊梁的上緣、下緣和腹板內分別施加預應力荷載，并把布置橋面板內的預應力荷載施加到虛梁單元上。

4計算結果

4.1應力

（見表1、圖5。）

4.2強度

（見表2）

4.3位移

5結論

（1）采用板梁結合的方法，可以對橋梁結構進行空間分析，而且避免了梁格法中對橫梁的抽象簡化。

（2）槽形截面梁屬于薄壁開口截面結構，抗扭剛度較小，在彎扭耦合作用下會產生截面畸變。

（3）小半徑曲線梁橋的內外兩側受力和變形不均，外側應力和位移均比內側大，不能簡單的按直線橋簡化計算。

參考文獻

[1] TB10002.3-2017，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].

[2] JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].