對(duì)比分析斜交橋梁空間計(jì)算模型

劉貴平

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008)

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對(duì)比分析斜交橋梁空間計(jì)算模型

劉貴平

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008)

針對(duì)斜交橋梁工程計(jì)算，結(jié)合實(shí)例，在簡(jiǎn)單介紹幾種橋梁常用空間計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，分別采用實(shí)體單元模型與空間梁格單元模型對(duì)斜交橋梁實(shí)施空間計(jì)算，提出各計(jì)算模型應(yīng)用的要點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)比分析，得出空間梁格單元模型能很好反映出斜交橋受力情況，但要注意剔除由預(yù)應(yīng)力直接引發(fā)的邊肋平面外彎矩的結(jié)論，旨在為類似斜交橋的工程計(jì)算工作提供可靠的依據(jù)和參考。

斜交橋；空間計(jì)算模型；實(shí)體單元模型；空間梁格單元模型；對(duì)比分析

1 斜交橋梁概況

此次研究的主要對(duì)象為一座6跨的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁斜交橋，橋跨實(shí)際布置情況為：18+20+3×25+22(m)連續(xù)箱梁，墩號(hào)17～23號(hào)，3×25跨斜交約27°，分別在19、20、21、22號(hào)墩上設(shè)置支座。于19號(hào)墩上布置一個(gè)固定支座，也就是支座7，其它墩橋布置活動(dòng)支座，活動(dòng)方向根據(jù)實(shí)際要求妥善選取。該斜交橋選用單箱三室等截面箱形梁結(jié)構(gòu)，鉛垂中心線上的梁高為1.4 m，箱梁頂部寬度為16.5 m，底端寬度為11.8 m，橋梁表面呈2°左右的橫坡。箱梁的跨間位置上未設(shè)置橫隔板，只是在支點(diǎn)位置上布設(shè)橫梁。在箱梁的縱向方向上，使用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，橫向未設(shè)置。預(yù)應(yīng)力類型為傳統(tǒng)腹板束。橋面雙向三車道，擬定荷載情況為：汽—超20，掛車—120，根據(jù)該橋?qū)嶋H情況對(duì)兩種空間計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析。

2 空間計(jì)算模型

2.1 斜交橋?qū)嶓w單元模型

運(yùn)用有限元計(jì)算軟件ANSYS模擬實(shí)體單元模型。混凝土的模擬選用solid45單元，預(yù)應(yīng)力筋束的模擬選用link8單元，以降溫為主要手段對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行施加。離散的最終結(jié)果為1.68×105個(gè)單元，其中混凝土的梁體單元占比93.45%，約為1.57×105個(gè)，預(yù)應(yīng)力筋束的梁體單元占比6.55%，約為1.1×104個(gè)。

2.2 斜交橋空間梁格模型

梁格法對(duì)于模型的要求較為特殊，可歸納為等效性，即為實(shí)際結(jié)構(gòu)與模型荷載一致時(shí)，二者實(shí)際撓曲必須相等，而且梁格模型內(nèi)力還要和結(jié)構(gòu)內(nèi)力完全相同。然而，由于梁格模型體系與實(shí)體結(jié)構(gòu)存在一定差異，這種等效性要求很難在實(shí)際情況中實(shí)現(xiàn)，可采取近似模擬的方法解決這樣的問(wèn)題，由此可見(jiàn)，可以將梁格法理解成一種基于近似模擬的空間計(jì)算方法。為進(jìn)一步提升梁格模型準(zhǔn)確度，在對(duì)梁格進(jìn)行劃分的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮以下影響因素：

(1) 梁體在受彎過(guò)程中，截面實(shí)際上是圍繞相同中性軸進(jìn)行彎曲的，因此各不同中性軸之間應(yīng)保持良好的位置關(guān)系。

(2) 桿件需要和梁肋對(duì)應(yīng)中心線完全重合，確保腹板上的剪應(yīng)力直接由梁格構(gòu)件承擔(dān)。

(3) 為確保荷載靜力分布具有足夠的靈敏度，橫向桿件之間的距離應(yīng)得到嚴(yán)格的控制，通常要保持在縱向間距限度之內(nèi)。

充分考慮上述因素，模擬時(shí)先進(jìn)行離散處理，將箱梁的縱向等分成四種梁肋。為確保計(jì)算準(zhǔn)確無(wú)誤，每一個(gè)梁肋都需按照規(guī)則離散成一定數(shù)量的空間單元，單元實(shí)際長(zhǎng)度不得超出0.5 m，然后根據(jù)空間單元數(shù)量在跨間設(shè)置橫梁，進(jìn)而對(duì)橫向的橋面體系進(jìn)行模擬，相鄰兩個(gè)橫梁之間的距離需嚴(yán)格控制在1.0 m，支座橫梁按照實(shí)際空間結(jié)構(gòu)完成建模，同樣需要進(jìn)行離散處理。通過(guò)以上處理，全結(jié)構(gòu)被劃分成2 789個(gè)空間單元。

3 計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

3.1 自重荷載對(duì)比

在考慮自重荷載的情況下，對(duì)兩種空間計(jì)算模型實(shí)施對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在自重荷載的作用下，兩模型的空間計(jì)算結(jié)果基本吻合，但跨中與支座位置的梁格計(jì)算結(jié)果稍大，但在容許范圍之內(nèi)。

圖1 自重荷載作用下模型對(duì)比結(jié)果

3.2 預(yù)應(yīng)力對(duì)比

預(yù)應(yīng)力施加完畢以后，兩種模型的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果基本吻合。但斜支座周邊比其余位置稍差，主要因?yàn)榱焊穹ㄔ谔幚斫孛鏁r(shí)會(huì)產(chǎn)生少許近似誤差，不會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成較大影響。

在運(yùn)用梁格法實(shí)施空間計(jì)算的過(guò)程中，應(yīng)注意剔除由預(yù)應(yīng)力直接引發(fā)的邊肋平面外彎矩。從箱梁整體截面的角度講，預(yù)應(yīng)力筋的布置是完全對(duì)稱的，對(duì)梁格進(jìn)行劃分以后，邊肋的截面會(huì)變成非對(duì)稱的形式，若此時(shí)按照原設(shè)計(jì)方案對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行布置，則會(huì)產(chǎn)生一定平面外彎矩，與真實(shí)受力存在差異，所以必須在分析過(guò)程中將其完全剔除。彎矩剔除后，梁格模型即可十分準(zhǔn)確的反映出實(shí)體模型，而如果沒(méi)有完全剔除，會(huì)造成較大的應(yīng)力偏差，因此，在空間計(jì)算模擬的過(guò)程中，需對(duì)此引起足夠的重視。

4 結(jié) 論

(1)梁格法能很好的反映出斜交橋的受力情況，空間計(jì)算結(jié)果和模型基本吻合，而且建模的過(guò)程也十分簡(jiǎn)便，具有較高的應(yīng)用與推廣價(jià)值。

(2)在運(yùn)用梁格法進(jìn)行建模的過(guò)程中，單元?jiǎng)澐直仨毧茖W(xué)合理，保證經(jīng)過(guò)離散處理后的模型滿足等效性要求，橫向梁格之間的距離應(yīng)得到嚴(yán)格的控制，如果具備較好的硬件實(shí)力，可進(jìn)一步細(xì)化單元?jiǎng)澐郑杂行嵘臻g計(jì)算的準(zhǔn)確度。

(3)在施加預(yù)應(yīng)力的過(guò)程中，梁格模型會(huì)產(chǎn)生一定平面外彎矩，若未進(jìn)行有效處理，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成嚴(yán)重的影響，因此在后續(xù)分析過(guò)程中，必須將這一部分彎矩剔除，以保證計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確度。

[1] 陳水福,唐錦春.斜交橋梁空間計(jì)算模型對(duì)比分析[J].中國(guó)市政工程,2006,(3):13-15，91.

[2] 徐曉龍,楊驪先,孫炳楠. 斜交預(yù)應(yīng)力混凝土板梁橋的計(jì)算模型與試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)市政工程,2006,(5):28-30，94.

2016-03-11

劉貴平(1986-)，貴州仁懷人，助理工程師，研究方向：交通檢測(cè)。

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1008-3383(2016)07-0133-01