三跨等截面箱梁橫隔板并聯空間受力分析研究

劉志峰 LIU Zhi-feng

（中鐵四局集團第五工程有限公司，九江 332005）

0 引言

隨著國家經濟建設的不斷發展，公路車輛的激增使得橋梁寬度不斷增加，而采用整體超寬橋面的橋梁不僅施工周期較慢，而且容易出現橫向受力問題，因此目前大多數公路橋梁采用分幅布置，使得橋梁寬度減小，不僅能夠適用于懸臂澆筑或懸臂拼裝等快速施工工藝[1-3]，而且結構體系受力狀態條理清晰。但是由于分幅布置，結構整體性較弱，通常在箱梁跨中建立橫隔板將兩幅橋連接而成，增強其整體性的同時還可以提高受力性能。因此本文為研究橫隔板對分幅布置的連續梁橋受力性能的影響，以某三跨等高度等寬度預應力連續梁橋為例，建立四種不同厚度橫隔板的整體有限元模型，對比分析其內力狀態和應力狀態的變化規律，同時建立跨中節段局部模型分析橫隔板和跨中截面局部受力情況，對采用橫隔板優化后結構的力學特性進行分析[4-6]。

1 工程概況

某高速公路大橋主橋為3×70m預應力連續箱梁橋，主橋分兩幅布置，單幅橋寬為15.25m。主梁采用等高度等寬預應力混凝土連續箱梁，按部分預應力A類結構設計。主橋截面采用單箱單室直腹板截面，整幅布置，頂板設置單向2.0%結構橫坡，底板水平布置。在箱梁的支點處均設置了橫梁，箱梁邊支點橫梁厚1.6m，箱梁中支點橫梁厚為2.2m，梁端懸臂加厚至80cm，加厚段長1.6m。主梁采用三向預應力體系，縱、橫向的預應力鋼束采用公稱直徑為15.2mm的高強低松弛鋼絞線，豎向預應力采用JL32精軋螺紋鋼筋。箱梁采用懸臂對稱澆筑施工，兩幅橋同步進行施工，橋梁總體示意圖如圖1所示。

圖1 總體布置圖

2 有限元模型建立

為了研究橫隔板對分幅布置三跨等高連續梁橋受力性能影響，分別建立40cm、60cm、80cm以及100cm四種厚度橫隔板的整體有限元模型，將其與原設計結構進行對比分析。主橋以及橫隔板均采用桿系單元建立，且兩幅橋分別建立，橫隔板通過彈性連接將其與每跨跨中連接，計算模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

3 優化結果分析

3.1 內力優化結果分析

為了分析兩幅獨立的三跨等高連續梁橋在各跨跨中建立橫隔板進行連接后對其內力的影響性能，通過建立不同厚度的橫隔板整體有限元模型分析各關鍵位置彎矩和各支座剪力的受力性能，分別提取邊跨跨中和中跨跨中正彎矩、中墩支點負彎矩以及各支座剪力，比較不同橫隔板厚度下的受力性能，將計算結果整理至圖3和圖4中。

圖3 不同橫隔板厚度下最不利彎矩對比圖

圖4 不同橫隔板厚度下最不利剪力對比圖

兩幅獨立的三跨等高連續梁橋通過在各跨跨中分別建立橫隔板進行連接后，對其各關鍵位置彎矩和各支座剪力受力性能有著重要的影響，分別建立不同厚度橫隔板整體有限元模型，根據圖3和圖4可知，兩幅獨立的連續梁橋通過建立不同厚度橫隔板連接后，邊跨跨中和中跨跨中正彎矩、中墩支點負彎矩以及各支座剪力均有所減??；其中建立60cm厚度橫隔板時，最不利彎矩和最不利剪力均為改善最明顯，邊跨跨中正彎矩和中跨跨中正彎矩分別減小了31.85%和29.02%；中墩支點負彎矩減小了34.94%。支座D0最不利剪力減小了31.90%，支座D1最不利剪力減小了33.36%，支座D2最不利剪力減小了33.75%，支座D3最不利剪力減小了33.12%。由此綜上可知，通過建立橫隔板將兩幅連續梁橋連接起來，可以改善橋梁結構的受力性能，這是由于兩幅獨立的橋梁通過橫隔板連接成整體，提高其整體剛度，有利于結構受力。

3.2 應力優化結果分析

為了分析兩幅獨立的三跨等高連續梁橋在各跨跨中建立橫隔板進行連接后對其應力的影響，通過建立不同厚度的橫隔板整體有限元模型分析各關鍵位置結構基本組合作用下的上下緣應力狀態，分別提取邊跨跨中和中跨跨中下緣拉壓應力以及中墩支點上緣拉壓應力，比較不同橫隔板厚度下的受力性能，計算結果如圖5和圖6所示。

圖5 不同橫隔板厚度下最不利拉應力對比圖

圖6 不同橫隔板厚度下最不利壓應力對比圖

兩幅獨立的三跨等高連續梁橋通過在各跨跨中分別建立橫隔板進行連接后，同樣對其各關鍵位置應力有著重要的影響，分別提取邊跨跨中和中跨跨中處結構下緣拉壓應力、中墩支點處結構上緣拉壓應力整理至圖5和圖6，根據圖5和圖6可知，兩幅獨立的連續梁橋通過建立不同厚度橫隔板連接后，邊跨跨中和中跨跨中拉應力以及中墩支點壓應力均有所減??；其中建立60cm厚度橫隔板時，拉應力改善效果最為明顯，邊跨跨中和中跨跨中下緣拉應力分別減小了31.57%和28.94%；中墩支點上緣拉應力減小了36.86%。各關鍵位置處壓應力也有所改善，但效果較弱，其中邊跨跨中和中跨跨中下緣壓應力分別減小了10.37%和13.45%；中墩支點上緣壓應力減小了11.16%。由此綜上可知，建立60cm厚度橫隔板時對橋梁結構應力減小幅度最佳。

3.3 橫隔板局部應力分析

為研究建立橫隔板后的連續梁橋，跨中橫隔板處局部是否出現開裂現象，應力是否能夠滿足要求，針對連續梁的典型跨中斷面，采用有限元分析軟件建立節段局部模型分析。模型中，實體單元采用C3D10十結點二次四面體單元，模型約束按實際模擬，加載位置與實際情況一致，計算分析模型如圖7所示，對于混凝土結構，其主拉應力的大小通常能夠反映結構是否開裂，因此主要關注主拉應力結果。其中60cm橫隔板跨中局部計算結果如圖8和圖9以及表1所示。

表1 不同橫梁厚度下跨中截面最大主拉應力對比表

圖7 跨中節段局部有限元模型圖

圖8 60cm體外橫梁跨中截面整體主拉應力（MPa）

圖9 60cm跨中體外橫梁主拉應力（MPa）

由表1可知，跨中截面局部主拉應力隨著橫隔板厚度增加而增大，而橫隔板主拉應力隨著橫隔板厚度增加變化規律呈現先減小后增大的趨勢。其中橫隔板厚度40cm時，跨中截面主拉應力最小，為4.04MPa；60cm橫隔板局部應力最小，僅為2.35MPa，因此綜合來看，橫隔板厚度選取60cm時，跨中區域局部應力狀態較好。

4 結論

以某三跨等高度等寬度預應力連續梁橋為例，建立四種不同厚度橫隔板的整體有限元模型，對比分析其內力狀態和應力狀態的變化規律，同時建立跨中節段局部模型分析橫隔板和跨中截面局部受力情況，對比得到如下結論：

①兩幅獨立的連續梁橋通過建立不同厚度橫隔板連接后，增強了結構的整體性，使得結構各關鍵截面的內力和應力均有所減小；而當選擇厚度為60cm的橫隔板時，彎矩最大幅度減小了34.94%，剪力最大幅度減小了33.75%，應力最大幅度減小了36.86%。

②對跨中截面以及跨中處橫隔板進行局部分析可知，選取60cm橫隔板局部主拉應力最小，僅為2.35MPa。

③通過橫隔板將分幅布置的連續梁橋連接成整體，增強了橋梁橫向剛度，使得橋梁整體性明顯提升。然而隨著橫隔板厚度的增加，結果內力和應力并不是也隨之下降的，因此并不需要設置很厚的橫隔板。