市政工程環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法

摘要：高架橋使用技術(shù)的不斷進(jìn)步，提升了橋梁的安全系數(shù)。現(xiàn)有的高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法，由于荷載計(jì)算的單一性，導(dǎo)致其與實(shí)測(cè)結(jié)果具有相應(yīng)的誤差，且計(jì)算響應(yīng)時(shí)間過長。針對(duì)此現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種市政工程環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法。構(gòu)建橋梁連接節(jié)點(diǎn)有限元分析模型，判定其受力方向。采用荷載組合的方式，設(shè)定橋梁連接節(jié)點(diǎn)荷載系數(shù)。將荷載組合系數(shù)與有限元模型相結(jié)合，計(jì)算單一承載力。通過多種承載力相加的形式，實(shí)現(xiàn)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算。進(jìn)行實(shí)際工程測(cè)試，與傳統(tǒng)方法相比，此方法計(jì)算響應(yīng)時(shí)間較短，且與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致。由此可知，此方法的計(jì)算效果優(yōu)于原有方法。

關(guān)鍵詞：承載力；橋梁穩(wěn)定性；連接節(jié)點(diǎn)；有限元分析

0" "引言

家用車數(shù)量的快速增長，引起城市地面交通出現(xiàn)擁擠、堵塞現(xiàn)象。為了確保車輛快速、安全的通行，常在交通流向上實(shí)施空間分離，以構(gòu)建市政工程環(huán)高架橋[1]。市政工程環(huán)高架橋梁在城市交通中處于重要的位置，其建筑過程復(fù)雜、技術(shù)含量高、施工難度較大。隨著城市化的不斷推進(jìn)，高架橋的跨徑不斷加大，橋梁施工作業(yè)環(huán)境逐步復(fù)雜化，施工環(huán)境對(duì)于橋梁的約束逐步增加，人們對(duì)高架橋的施工要求也越來越高。市政工程環(huán)高架橋在為交通提供便利條件的同時(shí)，必須要滿足相應(yīng)的安全要求。

目前，高架橋的施工工藝已由原有的搭建型橋梁逐漸向結(jié)構(gòu)澆筑型橋梁發(fā)展[2]。此種施工方式降低了建筑材料浪費(fèi)現(xiàn)象的產(chǎn)生，節(jié)約了橋梁的建筑成本。橋梁需具有足夠的承載力，為交通的安全性提供保障，為此必須對(duì)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力展開計(jì)算。

承載力計(jì)算是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，不同的材料、施工方式、自然環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)橋梁連接點(diǎn)造成一定影響[3-4]。現(xiàn)今使用的內(nèi)環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法，常出現(xiàn)承載力計(jì)算結(jié)果與承載力實(shí)測(cè)結(jié)果不符的問題。本文對(duì)市政工程環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法進(jìn)行研究，并對(duì)原有承載力計(jì)算方法使用中的不足進(jìn)行優(yōu)化。

1" "環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)采用有限元分析的方式，以提升承載力計(jì)算的速度與效率。內(nèi)環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法設(shè)計(jì)流程如圖1所示。通過上述流程設(shè)計(jì)結(jié)果，完成此次方法計(jì)算過程。在有限元分析方法的使用過程中，僅對(duì)橋梁連接節(jié)點(diǎn)的連接方式以及方向展開設(shè)定，以提升承載力計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1.1" " 構(gòu)建橋梁連接節(jié)點(diǎn)有限元分析模型

在此次研究中，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS[5]構(gòu)建高架橋模型，并對(duì)其展開有限元分析。將高架橋設(shè)定為多個(gè)剛體或柔體多體系統(tǒng)，使各實(shí)質(zhì)建筑材料中間具有一定約束關(guān)系及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在此部分中，主要對(duì)橋梁連接點(diǎn)的連接屬性展開設(shè)定。常見的連接屬性主要包括平移連接屬性、旋轉(zhuǎn)連接屬性。根據(jù)高架橋連接節(jié)點(diǎn)的連接形式，選定CARTESIAN連接方式以及ALIGN連接方式，作為高架橋連接節(jié)點(diǎn)的表達(dá)方式，采用笛卡爾坐標(biāo)系對(duì)其進(jìn)行表示。連接方式如圖2所示。

在選定的連接方式中，CARTESIAN連接不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)分量造成影響，設(shè)定某一橋梁連接節(jié)點(diǎn)為，并設(shè)定三個(gè)方向分別為m：{e1m，e2m，e3m}相連節(jié)點(diǎn)n的位置可以由節(jié)點(diǎn)m的位置發(fā)生變化，則節(jié)點(diǎn)n的位置可以表示為：

（1）

上式中，x，y，z為節(jié)點(diǎn)n的坐標(biāo)。通過此公式對(duì)CARTESIAN連接展開位置變化，則有：

（2）

上式中，g1ref，g2ref，g3ref為連接節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)長度，則其作用力可表示為：

fall=f1e1m+f2e2m+f3e3m" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

上述公式中，f1，f2，f3為連接點(diǎn)坐標(biāo)軸每個(gè)方向的作用力。與CARTESIAN連接不同，ALIGN連接可對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的自由度方向進(jìn)行控制，則節(jié)點(diǎn)m與節(jié)點(diǎn)n可設(shè)定為{e1m，e2m，e3m}與{e1n，e2n，e3n}，則兩連接節(jié)點(diǎn)的約束條件為：

pall=p1e1m+p2e2m+p3e3m" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

上式中，p1，p2，p3為節(jié)點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生的彎矩。通過此公式對(duì)橋梁節(jié)點(diǎn)的連接方式進(jìn)行控制，并將此作為高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算基礎(chǔ)。

1.2" " 橋梁連接節(jié)點(diǎn)荷載系數(shù)設(shè)定

采用上述分析，設(shè)定橋梁節(jié)點(diǎn)有限元模型。對(duì)橋梁連接節(jié)點(diǎn)荷載情況進(jìn)行設(shè)定，以便于進(jìn)行承載力計(jì)算。根據(jù)對(duì)橋梁連接節(jié)點(diǎn)的研究可知，高架橋的荷載多為恒定荷載與汽車荷載的組合形式，則此荷載組合可表示為：

Ws+Wu=Q" " " " " " " " " " " " " " " "（5）

上式中，Ws與Wu分別為恒定荷載以及車輛荷載，為節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的抗力檢驗(yàn)坐標(biāo)。在此公式下，節(jié)點(diǎn)處的荷載相應(yīng)采用分項(xiàng)系數(shù)代替，則有：

αsWsk+αuWuk=Qr /αr" " " " " " " " " " " （6）

在上式中，Wsk、Wuk以及Qr 為恒定荷載標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)件抗力標(biāo)準(zhǔn)值；αs、αu、αr 分別為恒定荷載分項(xiàng)系數(shù)，汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)件抗力分項(xiàng)系數(shù)。由公式（5）與公式（6）計(jì)算結(jié)果的分析可知，兩公式等價(jià)，則有：

（7）

荷載分項(xiàng)系數(shù)可表示為：

（8）

根據(jù)上述公式可確定荷載組合的組成部分及計(jì)算系數(shù)，將此系數(shù)與高架橋連接節(jié)點(diǎn)模型相結(jié)合，可進(jìn)行橋梁連接節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算。為提升計(jì)算結(jié)果的可靠性，通過文獻(xiàn)研究與公式計(jì)算過程，將荷載組合中車輛荷載設(shè)定為可荷載，其中增加人群荷載部分。通過計(jì)算結(jié)果，設(shè)定荷載組合系數(shù)取值范圍如下：荷載組合為恒定荷載與一種可變荷載，組合系數(shù)為0.8。以此類推，每增加一種可變荷載，荷載組合系數(shù)下降0.1。當(dāng)橋梁呈彎道設(shè)計(jì)時(shí)，荷載組合系數(shù)為正常取值的70%。將此設(shè)定應(yīng)用于荷載系數(shù)的計(jì)算過程中，即可完成橋梁連接節(jié)點(diǎn)荷載系數(shù)設(shè)定。

1.3" " 高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算

由于橋梁連接節(jié)點(diǎn)的特殊性，在此次設(shè)計(jì)中，將其承載力設(shè)定為多組承載力計(jì)算結(jié)果求和的形式。在橋梁的豎向荷載作用下，連接節(jié)點(diǎn)由于預(yù)應(yīng)力以及橋面材料的預(yù)壓，產(chǎn)生摩擦力與支撐力形成的共同承受剪力，通過公式可表示為：

Dh=Dch+Dfh" " " " " " " " " " " " " " " （9）

上式中，Dh為連接節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)值；Dch設(shè)定為預(yù)壓產(chǎn)生的摩擦抗剪設(shè)計(jì)值；Dfh設(shè)定為支撐力摩擦抗剪設(shè)計(jì)值。通過實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)，在預(yù)應(yīng)力筋張拉的過程，會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，從而生成摩擦抗剪力，通過公式可表示為：

Do=Fχi" " " " " " " " " " " " " " " （10）

上式中，F(xiàn)為荷載組合產(chǎn)生的合壓力，χi 為節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的摩擦因素，此因素與節(jié)點(diǎn)材料有關(guān)。通過文獻(xiàn)研究可知，橋梁節(jié)點(diǎn)多采用鋼材。設(shè)定常見鋼材材料計(jì)算常數(shù)，便于此部分的計(jì)算。

將上述表格中內(nèi)容應(yīng)用至公式（11）的計(jì)算過程中，并結(jié)合公式（10），得出摩擦抗剪承載力公式如下：

Doh=Fχi=0.6（Dch+Dfh）" " " " " " " " " （11）

上式中，增加支撐承載力計(jì)算部分，通過公式可表示為：

Dv=Fδi tanβ" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （12）

上式中，δi 為支撐摩擦力，tanβ為橋梁連接處的夾角。將上述公式進(jìn)行整合，得出連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式如下：

Dall=Doh+Dv" " " " " " " " " " " " " " " " " " （13）

將此公式作為承載力計(jì)算公式即可。至此，市政工程環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法完成。

2" "實(shí)例測(cè)試

采用實(shí)例測(cè)試的形式，可獲取文中設(shè)計(jì)方法與原有的承載力計(jì)算方法的使用性差異。

2.1" " 實(shí)例設(shè)定

將某市政工程橋梁施工作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。采用文中設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的承載力計(jì)算方法，對(duì)高架橋梁連接點(diǎn)承載力展開計(jì)算。為提升測(cè)試的可靠性，在此工程中增加相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過三組數(shù)據(jù)的對(duì)比，確定文中設(shè)計(jì)方法的有效性。

將此作為測(cè)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程。為保證承載力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，在此次測(cè)試中，采用機(jī)械式儀器與電學(xué)儀器相結(jié)合的方式，完成檢測(cè)過程，具體選定設(shè)定如表2所示。

采用上述設(shè)備，完成測(cè)試過程，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。此次測(cè)試中，共設(shè)定兩組測(cè)試指標(biāo)，分別為：計(jì)算方法響應(yīng)時(shí)長以及計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差數(shù)值。在測(cè)試的過程中，共設(shè)定5個(gè)橋梁連接點(diǎn)。通過高精度計(jì)算設(shè)備，對(duì)其測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，并將數(shù)據(jù)結(jié)果存儲(chǔ)至統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，對(duì)其進(jìn)行對(duì)照分析。

2.2" " 計(jì)算響應(yīng)時(shí)長測(cè)試結(jié)果分析

計(jì)算響應(yīng)時(shí)長測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖3所示。通過圖3可知，高架橋的建筑方法對(duì)于承載力計(jì)算具有一定的影響。文中設(shè)計(jì)計(jì)算方法與傳統(tǒng)計(jì)算方法，對(duì)于兩種不同的建筑方法的響應(yīng)速度具有一定的差異性。文中設(shè)計(jì)方法對(duì)于兩種不同建筑方法的適用性較高，且響應(yīng)時(shí)長較為一致，均低于傳統(tǒng)計(jì)算方法。傳統(tǒng)算法對(duì)于搭建式施工方式計(jì)算響應(yīng)較為迅速，對(duì)于澆筑式施工方式響應(yīng)時(shí)間較長。原有方法的使用性能不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成一定影響。綜上可知，文中設(shè)計(jì)方法的計(jì)算速度優(yōu)于原有方法。

2.3" " 計(jì)算誤差測(cè)試結(jié)果分析

搭建式施工方式測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知，在搭建式施工方式下，文中設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法相對(duì)于實(shí)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)相差較小。文中設(shè)計(jì)方法與原有方法對(duì)于搭建式施工方式的橋梁具有良好的處理能力。

澆筑式施工方式測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知，在澆筑式施工方式下，文中設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法相對(duì)于實(shí)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)相差較大。文中設(shè)計(jì)方法與實(shí)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)相差較小，原有方法與實(shí)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)相差較大。文中設(shè)計(jì)方法的適用性以及計(jì)算精準(zhǔn)度高于傳統(tǒng)方法。將此部分測(cè)試結(jié)果與計(jì)算響應(yīng)時(shí)長測(cè)試結(jié)果相比較可知，文中設(shè)計(jì)計(jì)算方法的使用效果優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算方法。

2.4" " 結(jié)論

在市政工程環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算過程中，采用荷載組合的形式，可有效提升荷載系數(shù)的計(jì)算精度，保證承載力計(jì)算的可靠性。通過實(shí)例測(cè)試可知，文中設(shè)計(jì)的市政工程環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法，使用效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法使用效果，且對(duì)于施工方式的適用性較高。在日后的研究中，可將此方法使用到橋梁的施工建筑中，以提升橋梁的安全性，促進(jìn)城市交通發(fā)展。

3" "結(jié)語

現(xiàn)有的高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法，由于荷載計(jì)算的單一性，導(dǎo)致其與實(shí)測(cè)結(jié)果具有相應(yīng)的誤差，且計(jì)算響應(yīng)時(shí)間過長。針對(duì)此現(xiàn)象，筆者設(shè)計(jì)了一種市政工程環(huán)高架橋梁連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法。實(shí)際工程測(cè)試顯示，與傳統(tǒng)方法相比，此方法計(jì)算響應(yīng)時(shí)間較短，且與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致。此方法的計(jì)算效果優(yōu)于原有方法，應(yīng)用它可有效提升計(jì)算精度，確保橋梁安全性。

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