橫隔板參數對裝配式箱梁寬橋受力的影響

鄧淇元, 肖凱龍, 鄢穩定, 鄔曉光

(長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064)

近年來,社會經濟快速發展,車流量與行車速度隨之提高,對城市道路橋梁設計提出了新的要求.為了適應城市交通快速發展的需要,城市道路不斷拓寬,相應橋梁也是如此,裝配式寬橋得到廣泛的應用.橫隔板作為裝配式寬橋的重要構件,起著使各梁成為整體,共同受力的作用.

人們對裝配式梁橋的橫隔板做了很多研究,但大多是針對T梁,而對裝配式箱梁寬橋的橫隔板研究不足.周少林[1]等對30 m簡支T梁的橫隔板厚度進行分析,得出了增加端橫隔梁和中橫隔梁厚度可以減少T梁橋梁底縱向應力的結論;牛艷偉[2]等建立5片T梁的有限元模型,研究橫隔板的設置對載荷橫向分布的影響;呂玉匣[3]等采用ANSYS對T梁橋的橫隔板數量進行了參數分析,有限元計算表明設置3道橫隔板時計算結果與剛性橫梁法誤差小于5%.而在箱梁方面,趙巧燕[4]對30 m箱梁窄橋的橫隔板設置進行了研究,分析了其對箱梁整體受力的影響.鄔曉光[5]等從改善跨中部位頂板及底板橫向應力分布的角度,對連續剛構橋的橫隔板厚度、挖空率等參數進行了研究,給出了參考數據.肖凱龍[6]等對不同跨徑T梁寬橋的橫隔板布置進行研究,給出了布置數量和位置的建議.

本文建立了40 m跨徑裝配式連續箱梁寬橋的不同寬跨比模型,通過改變橫隔板厚度、位置和數量,觀測中梁撓度的變化,從而得出影響橫隔板對箱梁寬橋作用的因素,并總結出橫隔板的最優設置方式.

1 模型參數

分別取不同的寬跨比0.75、1.00、1.25、1.50,建立跨徑為20 m、40 m的三跨裝配式連續箱梁橋模型.每片主梁截面寬3.3 m,橫隔板厚度200 mm.移動載荷以《公路橋涵設計通用規范》[7]為準,按中載方式布置.有限元模型如圖1、圖2所示,模型單梁截面尺寸如圖3所示,橫隔板位置如圖4和表1所示.

圖1 連續箱梁寬橋MIDAS模型Fig.1 MIDAS model of continuous wide box girder

圖2 MIDAS 模型橫截面Fig.2 Cross section of MIDAS model

圖3 模型單梁截面尺寸(單位:mm)

圖4 橫隔板位置Fig.4 Diaphragm location

2 橫隔板位置對梁橋載荷橫向分布的影響

由于撓度變化可以近似表征載荷橫向分布,故記錄不同橫隔板厚度下中梁最大撓度變化趨勢,以之作為載荷橫向分布效果的判斷標準.

(1) 20 m跨徑連續寬箱梁.為研究載荷作用下橫隔板位置不同對20 m裝配式連續箱梁中梁邊中跨跨中撓度的影響,將全橋橫隔板布置情況分為2道、3道、4道和5道4種布置情況建立計算模型,得到這4種模型的中梁撓度計算結果以及變化趨勢,見表2.

表2 橫隔板數量影響下20 m裝配式連續箱梁中梁最大撓度

注: 相對差值為前次撓度計算結果與本次撓度計算結果之差除以本次撓度計算結果的商.4道橫隔板與5道橫隔板的相對差值都是相對于3道橫隔板而言的,即它們的前次計算結果都是3道橫隔板時撓度.

由表2可知,設置3道橫隔板時,與設置2道橫隔板相比,降低中梁中跨最大撓度的11%～17%,降低中梁邊跨最大撓度的7%～12%,變化較為明顯.當繼續在中橫隔板兩側設置橫隔板(即設置5道橫隔板)時,其撓度值與設置3道橫隔板時的撓度值相比,變化并不明顯,相對差值在1%～3%之間.當在中跨兩側約1/4跨徑處設置橫隔板(即設置4道橫隔板)時,箱梁撓度值與設置3道橫隔板時的撓度相比降低很小,幾乎為零.這表明1/4L與3/4L處橫隔板的作用加起來大致相當于跨中橫隔板的作用.可見跨中橫隔板的作用最為關鍵,在其基礎上增加橫隔板時,作用并不明顯,反而會增大結構自重.故僅跨中橫隔板的設置便能達到很好載荷分布,跨徑為20 m的裝配式連續箱梁推薦設置3道橫隔板.

(2) 40 m跨徑連續寬箱梁.為研究載荷作用下橫隔板位置不同對40 m裝配式連續箱梁中梁邊中跨跨中撓度的影響,將全橋橫隔板布置情況分為2道、3道、4道和5道4種布置情況建立計算模型,得到這4種模型的中梁撓度計算結果以及變化趨勢,見表3.

表3 橫隔板數量影響下40 m裝配式連續箱梁中梁最大撓度

注: 相對差值為前次撓度計算結果與本次撓度計算結果之差除以本次撓度計算結果的商.4道橫隔板與5道橫隔板的相對差值都是相對于3道橫隔梁而言的,即它們的前次計算結果都是3道橫隔板時撓度.

由表3可知,設置3道橫隔板時,與設置2道橫隔板相比,降低中梁中跨最大撓度的14%～39%,降低中梁邊跨最大撓度的7%～16%,變化較為明顯.當繼續在中橫隔板兩側設置橫隔板(即設置5道橫隔板)時,其撓度值與設置3道橫隔板時的撓度值相比,變化并不明顯,相對差值在5%～7%之間.當在中跨兩側約1/4跨徑處設置橫隔板(即設置4道橫隔板)時,箱梁撓度值與設置3道橫隔板時的撓度相比沒有降低,甚至略有上升,最大上升值為13%.這表明1/4L與3/4L處橫隔板的作用加起來大致相當于跨中橫隔板的作用,甚至略有不足.可見跨中橫隔板的作用最為關鍵,在其基礎上增加橫隔板時,作用并不明顯,反而會增大結構自重.故僅跨中橫隔板的設置便能達到很好的載荷分布,跨徑為40 m的裝配式連續箱梁推薦設置3道橫隔板.

3 橫隔板厚度對梁橋載荷橫向分布的影響

取不同寬跨比下(0.75、1.00、1.25、1.50)的40 m裝配式連續箱梁寬橋計算模型,在上文確定最優橫隔板數量及位置,即設置3道橫隔板的基礎上,通過改變橫隔板厚度(即改變橫隔板剛度)的方式來研究橫隔板厚度的變化對于其結構受力的影響.根據橫隔板厚度變化值100、200、300、400及500 mm分為5個計算模型.同樣是通過撓度來衡量載荷橫向分布.橫隔板橫斷面如圖5所示.

圖5 橫隔板橫斷面示意圖Fig.5 Cross section sketch of diaphragm

從表4可以看出,在不同寬跨比下橫隔板厚度對于結構中梁最大撓度的影響趨于同一種趨勢,即橫隔板厚度從100 mm增大到200 mm時,最大撓度將減小3%～7%.從200 mm再增加橫隔板厚度,對結構最大中梁撓度的影響減小,最大只能減小2%左右.由于橫隔板厚度增加會導致自重變大,故可以認為200～300 mm之間即為裝配式連續箱梁橋最優橫隔板厚度范圍.

表4 橫隔板厚度影響下40m裝配式連續箱梁中梁最大撓度

4 結 論

(1) 對于跨徑為20、40 m的裝配式連續寬箱梁橋,只設置端橫隔板和跨中橫隔板就可以使載荷橫向分布達到很好的效果.而在中跨兩側約1/4跨徑處設置橫隔板來代替中橫隔板的做法會導致撓度加大,并不可取.若設置5道橫隔板,載荷橫向分布效果確實更好一些,但與設置3道橫隔板的效果相差不大.

(2) 橫隔板厚度從100 mm增加到200 mm時,裝配式連續箱梁寬橋的載荷橫向分布效果優化較為明顯.若厚度繼續增加,載荷橫向分布效果變化較小.