混凝土箱梁橫向受力精細化對比分析

顏　志　陳　竹

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

混凝土箱梁橫向受力精細化對比分析

顏志陳竹

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要箱梁因其箱形截面具有良好的結構性能，比如，截面抗扭剛度大、能有效地抵抗正負彎矩、施工方便、截面使用效率高等，因而在現代各種橋梁中得到了廣泛應用。因此，對箱梁的各種受力特性應有明確的了解，其中橫向內力也是混凝土箱梁設計過程中必不可少的計算內容。文中分別采用MIDAS，ANSYS有限元軟件建立單箱三室混凝土箱梁節段模型，加載對比分析其橫向受力特點，得出結論：無橫隔板箱梁橫向呈框架受力模式，二者計算結果基本是吻合的，同時說明了MIDAS平面桿系模型可以滿足一般計算精度要求。

關鍵詞混凝土箱梁橫向受力有限元

近年來，隨著橋梁材料性能和施工工藝的不斷進步，采用預應力混凝土箱梁的橋梁越來越多。由于箱梁截面抗扭剛度大，動力特性好，能有效抵抗正負彎矩，便于上、下層車道分流與管線布置，適應懸臂法與頂推法施工要求，因此，箱型截面梁通常是公路混凝土梁橋的最佳選擇[1]。

但是箱形截面混凝土梁由于挖空率比較大，因此腹板間距較大、箱壁相對較薄，由恒載(比如預應力)、活載，以及其他作用產生的橫向內力是很大的。現行規范中涉及這方面的內容相對很少，設計人員只能根據經驗對箱梁的橫向進行配筋，這導致了許多橋梁在使用階段甚至施工階段出現縱向裂縫。因此，合理地進行箱梁橫向內力計算是不可缺少的[2]。

在雙索面的預應力混凝土箱梁斜拉橋中，預應力混凝土箱梁與斜拉索在箱梁的兩側連接，為箱梁提供了彈性支承。斜拉索在箱梁的兩側產生較大的豎向分力。箱梁的橫橋向彎矩和橫向剪力的大小和傳遞路徑決定了箱梁橫向內力的大小。箱梁橫向彎矩和剪力的大小與橋梁的橫向寬度以及截面尺寸等有關，本文不考慮此類參數影響。

在沒有橫隔梁的情況下(見圖1)，箱梁內力呈現框架的受力模式，僅考慮兩側斜拉索的豎向分力作用，受力相當于簡支梁，箱梁的平衡如圖所示；外側的斜腹板為受拉板件，頂板(除兩側懸臂板外)為受壓板件，底板為受拉板件，腹板為受壓板件；考慮頂板與腹板相交處節點的受力平衡條件時，節點剛度介于鉸接節點和剛接節點之間，節點在頂板壓力、剪力、和腹板壓力下滿足平衡條件。

圖1　混凝土箱梁橫向內力圖

本文針對混凝土箱梁在車輛集中荷載作用下，分別采用MIDAS和ANSYS有限元軟件對比研究了混凝土箱梁的橫向受力分析模型。

1有限元模型

模型所用箱梁以某雙索面預應力混凝土箱梁斜拉橋為工程背景，該橋主梁為單箱三室預應力混凝土箱梁。主跨標準梁段主梁中心高3.0 m，頂板寬27 m、厚25 cm。中室凈跨6.0 m,邊室3.95 m。主梁標準節段腹板厚度30 cm。主要尺寸見圖2。

圖2　混凝土箱梁標準斷面圖(單位：mm)

模型中不考慮縱橋向預應力作用。用ANSYS采用solid65實體單元和link8桿單元分別模擬混凝土和橫向預應力鋼筋，建立箱梁節段模型。用MIDAS建立平面桿系模型。分別見圖3、圖4。

圖3　MIDAS箱梁有限元節段模型

圖4ANSYS箱梁有限元節段模型

箱梁頂板預應力采用9束低松弛鋼絞線，底板預應力采用4束低松弛鋼絞線，標準強度皆為1 860 MPa，張拉控制應力為0.75倍標準強度。支座采用簡支梁式多點支撐，位置為設在斜拉橋箱梁吊桿處，ANSYS模型中在此處選擇多個節點約束住豎向y方向位移以防止繞橫向扭轉，支座距懸臂邊緣4.75 m。

作用在箱形梁上的荷載包括恒載與活載。恒載是連續對稱作用的，包括箱梁自重、二期恒載等，活載可以是對稱作用，也可以是非對稱偏心作用，包括車輛荷載等。本文綜合考慮箱梁自重和車輛荷載，車輛荷載采用橫向對稱均布的標準重量4輛車，軸重140 kN，在縱向有間距1.4 m的2個輪軸作用，合并加載情況見圖5。

圖5　箱梁加載示意圖(尺寸單位：m；荷載單位：kN)

2橫向受力分析

2.1箱梁豎向位移對比分析

在自重及車輛荷載作用下， ANSYS軟件計算結果中箱梁位移示意見圖6。

圖6　ANSYS箱梁位移計算結果

由圖6及對比MIDAS計算結果可見，2種軟件得出的結果基本是吻合的，區別在于ANSYS結果在縱橋向也是變化的，結果趨于精細化，也更合理。在箱梁翼緣端部處，MIDAS結果為6.4 mm，ANSYS結果為6.5 mm，結果基本一致。在跨中處，MIDAS結果為1.2 mm，ANSYS結果則在縱向為變化值，邊緣處最小，其值約為0.8 mm，中間部位約為1.8 mm，這是因為車輛荷載集中作用在此處所致。

2.2箱梁橫向應力對比分析

在自重及車輛荷載作用下， ANSYS軟件計算結果中箱梁橫向應力云圖見圖7。

由圖7及對比MIDAS計算結果可見，箱梁橫向受力呈框架式；二者橫向應力結果基本也是吻合的。在頂板跨中處，MIDAS結果約為7 MPa，ANSYS結果為5～9 MPa。在底板處，MIDAS結果為2.2～2.8 MPa，ANSYS結果則為1.5～3.5 MPa。在中腹板處，MIDAS結果為2.0～3.9 MPa，ANSYS結果則為0.8～1.3 MPa，此處結果相差較大。而在斜腹板處，MIDAS結果為2.0～3.0 MPa，ANSYS結果則為1.8～2.8 MPa。總體來說，考慮ANSYS結果的縱向分布，二者相差不大。

3結論

箱梁橫向受力呈框架式。綜合考慮ANSYS結果的縱向分布，二者計算結果基本是吻合的，在中腹板處差別相對較大，說明MIDAS平面桿系模型可以滿足一般計算精度。

但本文未能考慮箱梁中橫隔板的影響，應該進行進一步的研究分析。

參考文獻

[1]邵旭東.橋梁設計百問[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]袁好國,王航.混凝土箱梁橫向受力的計算方法研究[J].科技信息，2011(17):462-463.

收稿日期：2014-11-05

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.005