裝配式梁橋景觀分隔帶荷載橫向分布計(jì)算研究

李冬冬， 王裕滔， 楊忠賢

(中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 四川成都 610081)

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裝配式梁橋景觀分隔帶荷載橫向分布計(jì)算研究

李冬冬， 王裕滔， 楊忠賢

(中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 四川成都 610081)

【摘要】通過將景觀分隔帶考慮成人行道，采用剛接梁法和杠桿法近似得到景觀分隔帶的荷載橫向分布計(jì)算結(jié)果。采用ABAQUS有限元軟件建立全橋模型，通過有限元模型計(jì)算結(jié)果與剛接梁法和杠桿法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了上述近似計(jì)算方法的有效性和適用性。

【關(guān)鍵詞】景觀分隔帶;荷載橫向分布;剛接梁法;有限元法

隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，城市汽車保有量逐年攀升，對(duì)市政橋梁的通行能力也提出了更高的要求。為保證行車安全、暢通，新建城市主干道橋梁寬度也越來越寬，橋面布置形式和橋上荷載形式也變得越來越復(fù)雜。特別是近些年來，為了增加遠(yuǎn)期橋面拓寬的空間儲(chǔ)備和滿足城市橋梁的景觀需求，橋上景觀分隔帶寬度也逐漸增加。而由于傳統(tǒng)荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算主要基于橋上活載發(fā)展起來的，對(duì)于荷載集度較大的景觀分隔帶荷載橫向分布情況無法直接得到，一定程度上增加了設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)周期。

為更直接地實(shí)現(xiàn)荷載橫向分布結(jié)果計(jì)算，本文將景觀分隔帶近似考慮成人行道，通過人群荷載加載近似計(jì)算景觀分隔帶荷載橫向分布。采用ABAQUS通用有限元分析軟件，建

立了橋梁的實(shí)體有限元模型，通過有限元和剛接梁法及杠桿法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證該近似方法的有效性和適用性。

1工程概況

本文依托項(xiàng)目為天府仁壽大道龍灘河中橋(3×20 m)，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土裝配式簡(jiǎn)支小箱梁，梁高1.2 m。龍灘河中橋全寬80 m，分四幅布置，每幅寬20 m。橋面橫向共布置兩道寬9.5 m側(cè)分帶和一道寬8.0 m中央分隔帶，在保證仁壽大道景觀效果和車輛分流要求的同時(shí)，為遠(yuǎn)期橋面拓寬預(yù)留足夠的空間儲(chǔ)備，其中景觀分隔帶填土厚度按0.4 m考慮，填土容重按20 kN/m3計(jì)。具體橋面布置如圖1所示。

圖1　龍灘河中橋標(biāo)準(zhǔn)斷面布置(單位:cm)

由于各幅橋斷面布置差別不大，且由于外幅橋景觀分隔帶較寬，受力更為不利。故本文取外幅橋作為主要研究對(duì)象進(jìn)行分析。為方便分析，圖1所示外側(cè)橋小箱梁由右至左依次編號(hào)為1～7號(hào)梁，下不贅述。小箱梁力學(xué)參數(shù)見表1。

2剛接梁法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，對(duì)于裝配式梁橋，當(dāng)橋上荷載作用在靠近支點(diǎn)處位置時(shí)，在距支點(diǎn)l/5跨徑范圍內(nèi)的荷載橫向分布系數(shù)偏安全的采用杠桿原理法計(jì)算，其余位置仍采用剛接梁法計(jì)算。剛接梁法和杠桿原理法均為十分成熟的荷載橫向分布計(jì)算方法，其計(jì)算原理參考文獻(xiàn)中均有詳細(xì)介紹，本文不再贅述。本文直接采用橋梁博士V3.5中的荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算工具對(duì)龍灘河中橋外幅橋側(cè)景觀分隔帶的荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程中，將9.5 m寬景觀分隔帶作為人行道進(jìn)行分析。

表1　小箱梁幾何及力學(xué)參數(shù)表

景觀分隔帶荷載橫向分布計(jì)算結(jié)果如圖2、表2所示。

3有限元計(jì)算結(jié)果

為驗(yàn)證采用將景觀分隔帶等效為人行道近似計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)方法的正確性和適用性。本文采用ABAQUS 6.12通用有限元分析軟件建立全橋模型。模型計(jì)算時(shí)基于如下假定：

(a)跨中荷載橫向分布系數(shù)

(b)支點(diǎn)附近荷載橫向分布系數(shù)圖2　景觀分隔帶荷載橫向分布系數(shù)

梁號(hào)支點(diǎn)附近(杠桿原理法)跨中(剛接梁法)13.2362.05922.8501.83032.8061.66040.9491.397501.068600.798700.680

(1)假定端橫梁、中橫梁、濕接縫及箱梁間可靠連接。有限元模型中各部件采用TIE約束保證各部件變形協(xié)調(diào)。

(2)忽略縱向預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)荷載橫向分布的影響。由于縱向預(yù)應(yīng)力鋼束主要作用是增加橋梁縱向剛度，橫向剛度主要由橫梁、濕接縫及箱梁翼板提供，故本模型中未計(jì)入預(yù)應(yīng)力。

(3)鋼筋混凝土為均勻、各向同性材料。模型中采用C50鋼筋混凝土，彈性模量3.45×1011Pa，泊松比0.3，容重26 kN/m3。

(4)受力過程中結(jié)構(gòu)變形較小且處于線彈性變化階段。

單元網(wǎng)格除支座附近采用四面體三維應(yīng)力單元并加密劃分外，其余部分均采用六面體三維應(yīng)力單元。全橋模型及單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示。

圖3　全橋模型及單元?jiǎng)澐?/p>

三維實(shí)體有限元模型雖然可以更真實(shí)的反映出結(jié)構(gòu)的受力及變形狀態(tài)，但由于跨中無支承約束，荷載作用下無法直接從模型中得到各梁的荷載橫向分配。根據(jù)假定(4)，結(jié)構(gòu)處于線彈性狀態(tài)，滿足廣義胡克定律。即：

(1)

其中:{Fi}為各梁分配荷載向量；

[K]為對(duì)應(yīng)于景觀分隔帶荷載下的結(jié)構(gòu)剛度矩陣；

{Ui}為跨中最大豎向位移向量。

換而言之，各梁分配荷載與各梁最大豎向位移成正比。因此，可以通過各梁最大豎向位移間接得到橋上荷載在各梁的荷載分配情況。

根據(jù)ABAQUS有限元模型計(jì)算結(jié)果，可以得到景觀分隔帶荷載下最大豎向位移云圖如圖4所示。

圖4　景觀分隔帶荷載下最大豎向位移云圖

對(duì)于支點(diǎn)附近荷載橫向分布，可以從各支點(diǎn)處反力直接得到。最終計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　有限元法荷載橫向分布計(jì)算結(jié)果

4結(jié)果分析

通過采用橋梁博士V3.5中荷載橫向分布計(jì)算工具和ABAQUS有限元建模分別計(jì)算龍灘河中橋外幅橋側(cè)向景觀分隔帶荷載橫向分布，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，主要得到以下結(jié)論。

(1)采用杠桿法和有限元法得到的裝配式梁橋支點(diǎn)附近荷載橫向分布計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，杠桿法計(jì)算結(jié)果與有限元法的計(jì)算結(jié)果吻合較好，加載點(diǎn)附近箱梁荷載分配比例較大，遠(yuǎn)端箱梁荷載分配比例較少。

圖5　支點(diǎn)附近荷載橫向分布計(jì)算結(jié)果

(2)采用剛接梁法和有限元法得到的龍灘河中橋跨中荷載橫向分布計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，剛接梁法計(jì)算結(jié)果與有限元法得到的荷載橫向分布趨勢(shì)基本一致，都表現(xiàn)為荷載加載位置附近荷載分配比例較大，向遠(yuǎn)端逐漸衰減。兩種方法計(jì)算結(jié)果在加載點(diǎn)附近吻合成都較好，在遠(yuǎn)端箱梁計(jì)算結(jié)果差異較大。

圖6　跨中荷載橫向分布計(jì)算結(jié)果

綜上所述，在計(jì)算寬度較大的景觀分隔帶荷載橫向分布時(shí)，可采用等效成人行道進(jìn)行計(jì)算：采用杠桿法計(jì)算支點(diǎn)附

近荷載橫向分布，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，可以滿足工程精度需求；對(duì)于橋梁跨中荷載橫向分布，采用剛接梁法計(jì)算時(shí)會(huì)導(dǎo)致距加載位置較遠(yuǎn)處的箱梁荷載分配結(jié)果偏大，以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏保守的，應(yīng)結(jié)合橋梁所處具體情況及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作出相應(yīng)調(diào)整。

5結(jié)論

通過采用橋梁博士V3.5橫向分布計(jì)算工具及ABAQUS軟件分別對(duì)龍灘河中橋荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)將寬景觀分隔帶等效為人行道計(jì)算裝配式箱梁荷載橫向分布是可行的，其計(jì)算結(jié)果可以滿足工程要求。

(2)支點(diǎn)附近荷載橫向分布，上述近似計(jì)算與實(shí)際受力狀態(tài)吻合較好；而對(duì)于跨中荷載橫向分布，其計(jì)算結(jié)果較實(shí)際情況偏大，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作出適當(dāng)調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

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[2]李國豪，石洞.公路橋涵荷載橫向分布計(jì)算[M].2版. 北京：人民交通出版社，1984.

[3]范立礎(chǔ). 橋梁工程(上冊(cè))[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4]JTG D60-2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[5]JTG D62-2004 公路鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]李樂秋，彭斌，李勇. 城市寬橋橫向分布系數(shù)采用梁格法的計(jì)算探討[J].中國市政工程，2009(2).

【中圖分類號(hào)】U448.21

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-12-24