預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋計(jì)算模型對(duì)比分析

1、中國市政工程年第期（總第期）在高速公路橋梁設(shè)計(jì)中，為了適應(yīng)線路走向或受地理?xiàng)l件限制，曲線橋、斜交橋以及斜橋正做而布置獨(dú)立支座的連續(xù)箱梁橋等非規(guī)則的橋梁結(jié)構(gòu)形式越來越多地被采用。對(duì)于非規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)，按照平面模型來分析不夠準(zhǔn)確。應(yīng)用板殼單元模型或?qū)嶓w單元模型分析，其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，但建模過程繁瑣、分析費(fèi)用較高、在一般通用的分析軟件中較難實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋的模擬。采用空間梁格單元模型（簡稱梁格法）將箱梁簡化為格梁進(jìn)行受力分析，與實(shí)體單元一樣。該方法基本概念清晰、計(jì)算費(fèi)用較低、應(yīng)用范圍廣，在各類橋梁設(shè)計(jì)中均可廣泛使用。本文以實(shí)際工程為背景，對(duì)連續(xù)箱梁分別建立了單梁模型和梁格模型，同時(shí)，還建立了考慮預(yù)應(yīng)力

2、鋼筋的橋梁實(shí)體單元模型，并以實(shí)體單元的計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)，對(duì)兩種梁系模型的計(jì)算結(jié)果差異進(jìn)行了比較分析，并對(duì)建模過程中應(yīng)注意的問題提出了建議。工程概況本橋?yàn)楹计指咚偕系囊蛔目珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋跨布置為×；箱梁縱向中心線處梁高，外緣高；橋面寬，兩側(cè)翼緣懸臂板長，箱底寬，為單箱雙室截面（圖），預(yù)應(yīng)力鋼筋均對(duì)稱布置在箱梁腹板內(nèi)；連續(xù)梁除兩端為雙點(diǎn)支撐，中間三點(diǎn)均為單點(diǎn)支撐形式；箱梁在跨間無橫隔板，僅在支點(diǎn)處設(shè)支座橫梁。全橋?yàn)閱蜗蜍嚨溃O(shè)計(jì)荷載：汽車超、掛車。計(jì)算模型本文采用橋梁專用有限元分析軟件建立了上述橋梁的單梁模型和梁格模型。實(shí)體單元模型則采用通用有限元分析程序進(jìn)行模擬。單梁模型采

3、用平面梁單元來模擬整個(gè)結(jié)構(gòu)，對(duì)于支座只能采用簡化合并的方式進(jìn)行處理，無法考慮支座橫梁的剛度貢獻(xiàn)和單支座支撐的特殊性。由建立的單梁模型單元總數(shù)為個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為個(gè)，具體模型如圖所示（由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，圖僅示意了模型的左半側(cè)結(jié)構(gòu)）。該模型為平預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋計(jì)算模型對(duì)比分析郭勇王媛張根法郁存正（浙江大學(xué)，杭州）（浙江樹人大學(xué)，杭州）（浙江蒲江縣公路段，永康）（浙江永康市公路段，永康）摘要：以一個(gè)單箱雙室的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分別建立了結(jié)構(gòu)平面梁單元模型、空間梁格單元模型以及空間實(shí)體單元模型。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析，指出了一般設(shè)計(jì)中常用的平面梁單元模型和空間梁格單元模型計(jì)算結(jié)果的

4、差異，并對(duì)該類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用何種模型和建模過程中應(yīng)注意的問題提出了建議。結(jié)論對(duì)同類橋梁的設(shè)計(jì)分析具有重要的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：箱梁橋單梁法梁格法實(shí)體單元橋梁與結(jié)構(gòu) 中國市政工程年第期（總第期）面模型，橋梁的橫向剛度無法進(jìn)行模擬。汽車荷載的作用也只能通過對(duì)主梁定義車道偏心加以考慮。梁格模型梁格的劃分應(yīng)綜合考慮以下因素：）梁格的縱向桿件形心高度位置應(yīng)盡量與箱梁截面的形心高度相一致，縱橫桿件的中心與原結(jié)構(gòu)梁肋的中心線相重合，使腹板剪力直接由所在位置的梁格構(gòu)件承受。）為保證荷載的正確傳遞，橫向桿件的間距不宜超過縱向梁肋的間距。）縱梁抗扭剛度的計(jì)算按整體箱型斷面自由扭轉(zhuǎn)剛度平攤到各縱梁上。）預(yù)應(yīng)力鋼筋

5、在梁肋中的布置應(yīng)特別引起注意。對(duì)于整個(gè)箱梁截面而言，預(yù)應(yīng)力鋼筋是對(duì)稱配置的。由于梁格劃分后邊肋幾何形狀的非對(duì)稱性，此時(shí)按設(shè)計(jì)位置布置預(yù)應(yīng)力鋼束，在邊肋中將產(chǎn)生較大的平面外彎矩，這顯然與實(shí)際受力情況不符，在計(jì)算結(jié)果的分析中應(yīng)扣除平面外彎矩產(chǎn)生的效應(yīng)。通過綜合分析以上因素，按圖中虛線對(duì)連續(xù)箱梁進(jìn)行了梁格的劃分。為保證計(jì)算精度，縱向單元長度取為，橫向桿件間距為。在車道位置布置車道虛梁以考慮汽車載荷。支座橫梁及支撐均按設(shè)計(jì)進(jìn)行布置。建立的梁格模型單元總數(shù)為個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為個(gè)，具體模型見圖（由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，圖僅示意了模型的左 半側(cè)結(jié)構(gòu)）。實(shí)體單元模型 實(shí)體單元模型采用通用有限元分析軟件建立，使用單元模擬

6、混凝土，單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋束，通過升降溫施加預(yù)應(yīng)力。模型單元總數(shù)為個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為個(gè)，見圖。建立實(shí)體單元的目的主要是為上述兩種計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果提供基準(zhǔn)，具體建模過程在此不再贅述。計(jì)算結(jié)果分析應(yīng)力分析在自重荷載作用下，對(duì)三種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖、圖所示。在自重作用下，跨中部位三種模型的分析結(jié)果均比較吻合，但在支座處，由于單梁模型無法考慮支座橫梁的剛度和單點(diǎn)支撐的特殊性，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)體單元的結(jié)論存在偏差，差異比為左右，而梁格模型在支座處的計(jì)算結(jié)果則與實(shí)體單元吻合得較好。對(duì)箱梁施加預(yù)應(yīng)力，箱梁上緣中部應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果見圖。三種模型結(jié)果仍比較接近，最大偏差出現(xiàn)在單梁模型的中支座處，與實(shí)體單元

7、的差異比為。在自重、預(yù)應(yīng)力與汽車荷載組合工況作用下，對(duì)兩種梁系模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如圖、圖所示。由于汽車荷載是一種移動(dòng)載荷，且加載形式并不對(duì)稱，所以對(duì)模型的構(gòu)造比較敏感。由圖、圖可以看出，兩種模型計(jì)算結(jié)果的主要差異仍出現(xiàn)在支座圖實(shí)體單元模型圖中國市政工程年第期（總第期）處，差異比為左右，跨中應(yīng)力也出現(xiàn)了一定的偏離。分析其原因，一方面是單梁模型無法準(zhǔn)確模擬單點(diǎn)支撐這一特殊支撐形式，另一方面是兩種模型對(duì)車道布置形式不同所造成的，梁格模型對(duì)車道的模擬顯然更為準(zhǔn)確。剛度分析在上述三種荷載工況下，單梁和梁格模型的撓度計(jì)算結(jié)果十分接近，撓度值如表所示。結(jié)語）采用單梁模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)必須對(duì)支座進(jìn)行簡

8、化處理，無法考慮斜支撐、單點(diǎn)支撐等特殊支撐形式，同時(shí)對(duì)于橫梁、斜彎梁的剛度貢獻(xiàn)也無法進(jìn)行模擬，車道施加只能通過對(duì)主梁的偏心進(jìn)行近似。另一方面，單梁法建模簡便，計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果能夠反映結(jié)構(gòu)的整體受力性能，在初步設(shè)計(jì)或方案比較階段，不失為一種較好的計(jì)算方法。）梁格方法建模相對(duì)繁瑣，但可以很好解決上述單梁法計(jì)算中遇到的困難，通過考慮橫梁（包括支座橫梁和橋面板）的橫向剛度，可以建立起橋梁結(jié)構(gòu)的空間受力模型，對(duì)非規(guī)則橋梁作出比較準(zhǔn)確的分析。通過布置虛擬車道梁，能夠較好地模擬車道的空間分布情況。梁格法建模中要注意的問題主要有兩方面。首先要合理地對(duì)空間網(wǎng)格進(jìn)行劃分，模擬橋面板的等效橫梁間距不宜超過縱梁梁

9、肋的間距，隨著計(jì)算機(jī)處理能力的增強(qiáng)，不妨將單元?jiǎng)澐值眉?xì)一些，可以保證計(jì)算結(jié)果更為精確。另一個(gè)要引起注意的問題是由于梁格的劃分，造成邊肋梁預(yù)應(yīng)力施加偏心，必須在計(jì)算結(jié)果中去除平面外彎矩的影響，否則將無法保證設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性。）對(duì)三種模型截面應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，在跨中，三種模型的應(yīng)力結(jié)果還是比較吻合的，但在支座處，單梁模型的計(jì)算結(jié)果則偏差較大，另兩種模型的應(yīng)力值仍吻合得較好，單梁模型支座處的計(jì)算誤差最大可達(dá)。在設(shè)計(jì)中，如果采用單梁模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行支座配筋，應(yīng)考慮誤差存在的影響。）兩種梁系模型對(duì)橋梁縱向剛度的模擬比較接近，撓度計(jì)算結(jié)果的最大差值不超過，在進(jìn)行橋梁總體剛度的設(shè)計(jì)校核時(shí)，兩種模型的計(jì)