三跨变截面预应力混凝土双箱双室并联连续箱梁桥的空间受力分析研究

三跨变截面预应力混凝土双箱双室并联连续箱梁桥的空间受力分析研究[录入者：zxl1921|时间：2006-07-1712:36:46|作者：陈菁菁,姚永丁,陶舍辉,项贻强|来源：公路交通科技]为了适应城市交通的需要,现在一般城市道路桥梁要求修建双向6车道或双向8车道,桥梁横向宽度达到甚至超过30m。这样宽的桥梁若采用连续箱梁结构,横向拼接方式多半是双箱刚接并联或双箱分离。由于桥梁的横向宽度较大,宽跨比增大,加之各箱室桥面板和横隔板的刚接作用,使得各箱室和桥面板共同参与工作,空间效应将十分显著。设计中,工程师为了简化计算,往往是取并联的半幅桥或单箱采用平面杆系理论进行设计计算,而忽略了主梁横向协同工作效应。这样,势必造成设计的状态与实际桥梁的工作状态有出入,过高地估计设计内力,造成了材料的浪费和工程投资增加。目前,在设计此类桥梁时横向分布的计算还没有得到很好的解决。因此,研究此类桥梁的空间受力特性和横向分布作用,不仅具有理论意义,而且具有工程实用价值。1工程背景本文以一座三跨(30m+50m+30m)变截面预应力混凝土双箱双室并联连续梁结构为例(见图1),桥梁全宽30m,其中车行道宽15m,两侧绿化带宽215m,非机动车道宽115m,人行道和栏杆宽315m。分南北半幅桥,每侧半幅箱梁宽15m,两半幅箱梁有9道加筋横隔梁连接,如图1中1O9的位置,3和7位置(桥墩支点)的横隔板厚100cm,1和9位置(桥墩台附近)的横隔板厚60cm,其它位置横隔板厚30cm。主梁采用双箱双室断面,每个箱梁顶宽15m,底宽10m,箱梁支点处梁高218m,跨中梁高117m,箱底缘从根部到跨中按二次抛物线变化,箱梁底板厚©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.20～50cm,腹板厚35～60cm,顶板厚22～55cm。设计荷载汽车O20级、挂车O100,人群荷载415kN/m2,混凝土设计标号C50,预应力筋采用Φj15124高强低松弛270级钢绞线。图1桥梁纵横向断面图(单位:cm)2空间分析与试验对比211有限元分析模型实际上,作用在桥面上的荷载沿横向通过桥面板和多根横隔板向相邻主梁传递时的受力性能是很复杂的,以往的各种桥梁荷载横向分布理论均不能真实地模拟这类桥梁的受力特征。这里采用空间有限元来模拟桥梁双幅受力的实际状态,它能够较为准确地反映荷载作用下桥梁横向刚度对桥梁变形和内力的影响。分析时,采用壳单元划分了8144个单元,建立有限元模型如图2。并以跨中截面作用两辆重300kN车辆荷载(如图3)时,中跨跨中截面挠度和混凝土应力的横向变化来说明双幅桥协同工作的状态及横隔板对横向受力的影响。图2有限元分析模型图3加载位置示意212计算模型参数分析在进行空间有限元分析时有两个值得注意的参数。一个是混凝土弹性模量的取值,通常混凝土弹性模量实测值比《桥规》规定的设计值偏高,所以计算模型中混凝土的弹性模量应该按实测值取值,本次计算根据施工单位提供的实测值C50混凝土的弹性模量取317×104MPa;另一方面为了考察双幅受力的协同工作效应和横隔板的作用,研究这类桥横向刚度的影响。这里选取了双幅并联受力有横隔板、无横隔板(即双幅间仅桥面板处刚性连接)和单幅受力有横隔板(横隔板的设置同双幅受力情况)、无横隔板4种受力模式,进行空间有限元分析,对控制截面分别给出了有关分析结果(图4及表1),从中发现:(1)双幅受力时比单幅受力的计算截面最大挠度减小了30%左右,顶板最大压应力相差30%左右,因而荷载作用一侧半幅桥时另半幅箱梁分担荷载的作用不应忽视。(2)有横隔板参与受力比无横隔板时截面最大挠度值均减少了30%左右,顶板最大压应力双幅桥受时相差40%左右;受力变形图显示有横隔板时箱梁截面的变形基本上是刚性变形,而双幅无横隔板的受力模式在受到偏心荷载时箱梁截面产生了畸变变形,可见横隔板对横向刚度的贡献显著,特别是双幅桥共同受力时其作用更为突出。(3)截面最大拉、压应力(MX、MN)位置4种三跨变截面预应力混凝土双箱双室并联连续箱梁桥的空间受力分析研究陈菁菁等37©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.受力模式下都不相同;最大挠度的位置也发生变化,双幅桥共同受力时处于加载幅的外侧,单幅桥受力时处于截面中线附近。图44种受力模式空间分析对比图不同受力模式下截面挠度、应力空间理论计算值比较表1中跨跨中截面挠度(mm)最大值δ1δ2δ3δ4δ5δ6纵向应力(MPa)顶板(MN)底板(MX)双幅桥计算模式有横隔板11403113431122211005016470146101342-0133601305无横隔板11856116421167011380015050136601310-0159501322单幅桥计算模式有横隔板11797117471177611747----0150201367无横隔板21052117931190911793----0162101326213荷载试验研究为了进一步说明双箱双室并联连续箱梁桥的横向刚度影响和空间有限元法分析的有效性,本文在上述理论研究分析的基础上,进行了实桥的荷载试验研究。试验研究的内容主要有:双箱双室并联连续箱梁跨中截面的挠度分布规律,中跨跨中、边跨跨中截面箱梁上、下缘纵向应力沿横向的分布等。限于篇幅,荷载试验的详细情况在此不作阐述,只引用试验实测数据以说明问题。测点编号实测挠度值(mm)空间理论计算值(mm)空间理论校验系数平面理论计算值(mm)平面理论13119413374%653%22194412170%649%32155319365%643%41176217364%-29%50194116358%-16%图5中跨跨中截面实测挠度值与计算值对比图5给出了该桥中跨跨中截面最不利弯矩控制加载情况下,中跨跨中截面挠度沿横桥向变化的试验及理论分析结果。图6为该桥中跨跨中截面、边跨跨中截面在其最不利弯矩控制加载情况下,实测应力与理论计算值的比较。从图5可见:实测挠度值最大还不到平面理论计算值的60%,而与空间分析计算值的趋势相同,幅值也较为接近。说明在桥梁实际工作状态中横向刚度的影响不容忽视。箱梁实测值与空间计算值还有一定的误差,主要是由于在进行空间模拟计算时,未计入桥面铺装以及桥梁预应力钢筋和非预应力钢筋对桥梁刚度的贡献。另从图6可见,箱梁上、下缘实测应力与平面理论计算值相差较大,而与空间理论计算值吻合较好,说明平面设计理论分析计算这类桥梁,存在较大的局限性。但总的来说,对于双幅并联的桥梁,取半幅桥认为其独立受力来进行截面设计以满足设计承载力的要求,是偏于安全的,同时也造成了一定程度的材料浪费和工程投资的增加。因此,准确分析横向宽度较大或横向刚度影响较大的桥梁,必须进行空间分析,以客观地把握桥梁的实际工作性能。3结论由以上的分析研究可以得出以下结论:(1)双箱双室并联箱梁桥两半幅桥实际上并不是公路交通科技2003年第5期38©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.图6箱梁桥典型截面实测应力值与计算值对比独立承载,而是协同工作的;不考虑另半幅参与受力分布,将导致设计内力的过高估计。(2)横隔板对提高桥梁的横向刚度有很大的作用,特别是当桥梁横向宽度较大时,不计其对横向刚度的影响,计算结果会有较大的偏差;增加横隔板则可以一定程度上避免箱梁的畸变、翘曲、剪力滞现象,改善箱梁的横向受力。因此,在设计宽度较大桥梁时,应适当增加横隔板。(3)双幅并联的连续箱梁桥的空间受力特性和横向分布较为复杂,采用一般的桥梁横向分布理论难以奏效。实际设计分析时,应根据结构的具体布置,采用空间分析理论方法,才能获得较为真实的结果。参考文献:[1]李国豪,石洞1公路桥梁荷载横向分布计算(第三版)[M]1人民交通出版社,19891[2]程翔云1梁桥理论与计算[M]1人民交通出版社,19901[3]中华人民共和国交通部1公路桥涵设计规范(合订本)[S]1人民交通出版社,19871[4]WalterPodolny1ConstructionandDesignofPrestressedConcreteSegmen2talBridge[M]1AWileyOIntersciencePublication,19821(上接第33页)碎石料的σ1-σ3～εa关系接近于双曲线,可用双曲线拟合。②体变曲线接近于抛物线,可用抛物线拟合,以反映碎石土的剪胀变形特点,特别是在围压较小时。③单向压缩条件下,轴向应力与轴向应变的关系曲线接近于幂函数曲线,压缩模量随轴向应力呈幂函数变化。