七自由度單梁模型與折面梁格模型應用對比分析

劉美麗

摘 要 以單箱多室三跨連續全預應力混凝土箱梁為研究對象，建立折面梁格模型和七自由度單梁模型并配以相同形式預應力鋼束，進行承載能力極限狀態驗算及頻遇組合下正截面抗裂驗算，可知單梁模型對中腹板的受力情況計算不如折面梁格模型準確，其計算結果與折面梁格模型邊腹板接近，空間梁格模型內力計算較為精確，配束計算盡量采用折面梁格法。

關鍵詞 七自由度單梁模型;折面梁格模型;預應力混凝土連續箱梁橋

傳統裝配式混凝土橋梁其受力特性滿足“淺窄梁”假定，箱梁呈現良好的受力特征。城市橋梁橫向寬度不斷增加，預應力混凝土橋梁多采用單箱多室寬箱截面形式[1]。這種橋梁腹板間距大，荷載具有空間分布特性，多腹板箱梁的變形不遵循全截面的平截面假定，使得各道腹板剪力分配比例相差較大[2]。實際工程中采用七自由度單梁模型比較高效，但只有在原結構為細長梁時才比較理想。對于跨寬比小的橋梁，單梁模型無法反應橋梁的橫向變形效應。本文建立了折面梁格模型和七自由度單梁模型，明確兩種模型內力的差異。

1概況

橋梁為一座跨線高架橋，選取3×30米跨徑，為現澆全預應力混凝土連續箱梁。梁高2米，采用單箱雙室結構，懸臂長2米，頂板從0.5米變為0.28米;底板從0.5米變為0.28米;腹板從1.0米變為0.5米，過渡段長度均為7米。橋墩處設置橫梁，中橫梁寬1.5米，端橫梁寬1.2米。橋梁位于直線上，橋寬：0.5m（防撞墻）+12.05 m（車行道）+0.5m（防撞墻），采用C50混凝土。

2計算條件

2.1 計算模型

基于橋梁博士V4.0.1軟件分別建立了七自由度單梁模型;折面梁格模型，其縱向主梁劃分如圖1。折面梁格模型的縱向主梁A1、A3配置相同鋼束，A2的配束形式也采用左右對稱布置，這樣使得整個模型的配束形式為左右對稱，為方便比較計算結果，下文僅將折面梁格模型中構件A1和A2的計算結構進行提取，縱梁A3的受力情況與A1完全相同，不做重復描述。單梁模型的配束情況與折面梁格模型中縱梁A1A2A3完全相同。

圖1 折面梁格模型縱向主梁劃分圖

2.2 計算荷載及工況

①設計荷載：城-A級;②結構重要性系數1.1。

單梁七自由度模型采用縱向影響線加載，折面梁格模型采用影響面加載。影響線加載只在縱向上進行，而影響面加載則針對指定區域進行縱向及橫向的二維加載，考慮了實際情況車道的靈活布置。

3計算結果

根據模型的計算結果匯總如下：

3.1 持久狀況承載能力極限狀態

首先將折面梁格模型中縱梁A1與縱梁A2進行正截面承載力對比分析：正截面抗彎承載力的結果如圖2～圖3所示。其中 A1梁格最大彎矩1.9E+04，最小彎矩7.0E+03;A2梁格最大彎矩2.7E+04，最小彎矩1.3E+04。通過A1與A2的最大彎矩和最小彎矩對比圖可見：梁全長范圍內，構件A2最大彎矩和最小彎矩分別大于構件A1最大彎矩和最小彎矩。

其次將折面梁格模型構件A1、A2、A3最大、最小彎矩分別進行求和，與單梁模型的最大、最小彎矩進行比較，其結果如圖4。比較最大彎矩可以看出，折面梁格模型計算結果峰值點大于單梁模型計算結果，但整體走向一致。對全橋持久狀況承載能力計算來說，兩種計算模型均能滿足計算精度需要，但單梁模型不能體現整座橋梁橫向受力不均，中間腹板的受力要大于兩側邊腹板實際情況。

3.2 頻遇組合下正截面抗裂驗算

頻遇組合作用下，將單梁模型與折面梁格模型中的縱向主梁A1、A2進行對比，計算所得的截面上、下緣的拉應力結果如圖5～圖6所示。

通過以上計算結果可知，支點附近，單梁模型的受力曲線基本與折面梁格模型中縱梁A1基本重合;縱梁A2截面上緣和底緣的壓應力均小于A1縱梁及單梁模型。由此可見，單梁模型不能準確反映中腹板的受力情況，其計算結果與折面梁格模型邊腹板接，單箱多室全預應力混凝土箱梁配束計算盡量采用折面梁格法。

4結束語

針對單箱三室連續全預應力現澆混凝土箱梁，將承載能力極限狀態下受力驗算及正截面抗裂驗算結果分別進行了對比。七自由度單梁模型和折面梁格模型均能滿足計算精度，但單梁模型不能體現整座橋梁橫向受力不均的情況，從計算結果，中腹板受力大于兩側邊腹板的受力，單箱多室全預應力混凝土箱梁配束計算盡量采用折面梁格法。

參考文獻

[1] 徐海軍，冷金榮.城市高架橋異形寬箱梁空間結構分析[J].結構工程師，2010，26（2）：74-79.

[2] 曲慧明.寬箱梁剪力滯效應分析[D].重慶：重慶交通學院，2003.