變寬現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)受力分析

變寬現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)受力分析

國家中心城市和城市化建設(shè)是中國重要的發(fā)展戰(zhàn)略路徑。隨著政策的不斷創(chuàng)新，中國重要城市的規(guī)模和人口密集變得越來越重要，城市基礎(chǔ)設(shè)施的承載能力也得到了提高。前人研究通過采用解析法、試驗法對梁格分析理論方法進行了論證，但在工程實際案例中應(yīng)用較少，且沒有足夠的應(yīng)用數(shù)據(jù)支撐該方法的可行性。本文結(jié)合實際工程設(shè)計案例，通過建立單梁和梁格兩種計算分析模型，從而得到有效的結(jié)果對比分析數(shù)據(jù)，以期為將來的設(shè)計工作提供參考。1梁格理論1.1橫向剛度作用下的受力特性梁格法的主要思路是將上部結(jié)構(gòu)每一區(qū)段的彎曲剛度和抗扭剛度匯聚于臨近的等效梁格內(nèi)，縱梁和橫梁分別等效代替縱向剛度和橫向剛度。在同樣的荷載作用下，等效梁格結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的撓曲是相等的，且在任意截面內(nèi)，各縱橫向梁格彎矩、剪力和扭矩之和等于單梁整個截面相對應(yīng)的內(nèi)力。上部結(jié)構(gòu)在荷載作用下，箱梁受力可分為4種基本狀態(tài)：縱向彎曲、橫向彎曲、扭轉(zhuǎn)和翹曲。因縱向彎曲和扭矩作用下，梁截面產(chǎn)生法向正應(yīng)力和剪應(yīng)力，而橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)作用箱梁頂?shù)装瀹a(chǎn)生橫向法向正應(yīng)力和剪應(yīng)力1.21.2.1縱向彎曲特性每一根縱梁都是由頂?shù)装寮跋鄳?yīng)的腹板組成，形狀與工字梁相似，橫截面上的縱向彎曲應(yīng)力和曲率均相同，則應(yīng)有：(1)式中：z為計算截面到中性軸的距離，由縱向彎曲產(chǎn)生的垂直剪力為(2)式中：V為剪力，剪力流：(3)式中：A為翼緣面積，因此，任意劃分的梁格，比值M/I仍然是一個常數(shù)，彎曲正應(yīng)力不受影響。而對于剪力流，由于翼緣面積A是任意的，所有縱梁的中性軸須同上部結(jié)構(gòu)整體截面的主軸重合，則可以避免誤差。1.2.2截面軸中性軸而彎曲箱梁虛擬橫梁截面由箱梁頂?shù)装鍢?gòu)成，箱梁橫向彎曲是頂板和底板繞著其組成截面的中性軸而彎曲，由于縱梁已計入梁體的自重，故橫梁只計入橫梁剛度。每延米橫向梁格的慣性矩繞其中性軸的慣性矩為=式中：1.2.3旋轉(zhuǎn)性能單根縱向或橫向梁格構(gòu)件的抗扭剛度等于其自身的頂板與底板組成截面的剛度，其抗扭常數(shù)1.2.4橫向梁格彎矩計算分格式箱梁一般沒有或有少數(shù)橫隔板，橫截面上的垂直剪力使頂?shù)装搴透拱瀹a(chǎn)生撓曲，即箱梁的扭轉(zhuǎn)變形。對于板彎曲的格式剛度由橫向梁格的剪力剛度代替，板的彎矩由橫向梁格的剪力得出。假定剪力在頂?shù)装灏磸澢鷦偠缺壤植迹以诟拱逯悬c為反彎點，則橫梁每延米寬度的垂直剪力近似為(5)為有效剪切應(yīng)位，mm;剪力與剪切位移之間的關(guān)系為(6)式中：a將上述兩式聯(lián)立可得剪切面積為(7)1.3橫向截面連接準(zhǔn)確合理的梁格劃分是建立模型分析計算的前提和保證，對應(yīng)于箱形整體截面4種基本受力狀態(tài)特性，梁格的縱橫梁需遵循劃分原則如下。(1)按箱梁腹板個數(shù)劃分成相應(yīng)縱向梁格的數(shù)量，且每個縱梁內(nèi)應(yīng)包含1個箱梁腹板，以保證彎曲剛度和剪切剛度均衡。(2)懸臂小的箱梁宜將頂?shù)装寰殖膳c腹板同等數(shù)量，使每根縱梁的中性軸與箱梁的中性軸重合。對于懸臂大的箱梁，宜按箱室對中分開，截面慣性矩繞箱梁中性軸求得。(3)對于具有斜邊腹板的多格式箱梁，可在斜邊腹板中點分開，截面慣性矩繞箱梁中性軸求得。(4)由頂板與底板組成的虛擬橫梁應(yīng)與縱向構(gòu)件垂直，其分割長度沿橋跨軸向宜為反彎點之間距離的1/4。(5)虛擬邊構(gòu)件縱梁截面特性為懸臂翼緣板截面特性的1/2,虛擬邊構(gòu)件橫梁截面特性按懸臂翼緣板平均厚度計算。2有限模型2.1部結(jié)構(gòu)、板溪段長春市某快速路高架橋，其中有一聯(lián)跨徑組合為3×29m變寬預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁橋，梁體采用C50混凝土，上部結(jié)構(gòu)為單幅橋，整幅橋?qū)捵兓秶鸀?5.056～40.567m,雙向八車道。箱梁高度為2.0m,頂板厚度為0.28m,底板厚度為0.22m,腹板寬度為0.50～0.80m。橋梁安全等級為一級，二類環(huán)境。荷載工況包括自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力作用、汽車荷載、溫度作用、支座沉降等。橋梁平面、剖面如圖1、2所示。2.2節(jié)點模型及邊界條件采用有限元分析軟件MidasCivil2019建立了單梁及梁格兩種模型。單梁模型沿縱橋向共劃分為50個單元，55個節(jié)點。邊界條件設(shè)置1個固定支座，3個單向滑動支座。單梁整體模型及標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖3、4所示。梁格模型沿橫橋向分割為7道縱梁，每道縱梁劃分為63個單元，64個節(jié)點，單元長度為1m左右。沿橋縱向設(shè)置2道端橫梁、2道中橫梁，跨間設(shè)置虛擬橫梁。邊界條件設(shè)置1個固定支座，6個單向滑動支座，9個雙向滑動支座。梁格模型及標(biāo)準(zhǔn)斷面劃分如圖5、6所示。2.32.3.1固定載荷恒荷載包括箱梁自重及二期恒載，混凝土箱梁的自重取值為26kN/m2.3.2溫度作用(1)整體提升溫度整體升溫24℃;整體降溫-43℃(2)梯子溫度梯度升溫：T1取14℃,T2取5.5℃;梯度降溫：T1取-7℃,T2取-2.75℃。2.3.3汽車負荷汽車荷載等級：城-A級；采用車道荷載。2.3.4支架沉降支座沉降取3綜合計算的比較分析提取兩個模型中計算撓度及應(yīng)力，對計算結(jié)果進行對比，并驗算是否滿足規(guī)范要求。3.1單梁和梁格模型撓度計算結(jié)果單梁及梁格模型中，在汽車荷載作用下的撓度分別如圖7、8所示，邊跨跨中最大撓度值如表1所示。由圖3、4可以看出，單梁和梁格模型撓度計算結(jié)果線形相同，由圖4及表1顯示梁格模型各縱梁撓度存在差異，這是由于橋梁寬度大，荷載橫向分布系數(shù)不同產(chǎn)生的橫向差異效應(yīng)。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG3362—2018)組合撓度撓度設(shè)計容許值3.2汽車荷載計算持久狀況下，箱梁頂?shù)装寤炷磷饔脴?biāo)準(zhǔn)值下的法向壓應(yīng)力如表2所示。由表2可以看出，梁格模型的應(yīng)力比單梁模型的應(yīng)力相差不大，且梁格模型中間縱梁的應(yīng)力大于邊縱梁。根據(jù)規(guī)范要求，荷載取標(biāo)準(zhǔn)值進行組合，汽車荷載需考慮沖擊系數(shù)。梁格及單梁的計算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力：未開裂構(gòu)件：頂緣底緣4構(gòu)箱梁模型分析結(jié)果本文通過采用梁格法理論，借助有限元分析軟件對工程實際案例中的變寬異型鋼筋混凝土箱梁進行了計算分析，由分析結(jié)果可知：上部結(jié)構(gòu)箱梁產(chǎn)生了較大的橫向效應(yīng)，其相較于單梁桿系模型，能夠改善計算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，直觀地呈現(xiàn)出