基于英国 BS5400的预应力混凝土槽形梁结构性能研究

郭丰哲,苏国明,周家新,王合希,续宗宝

(中铁第五勘察设计院集团有限公司桥梁设计院,北京 102600)

1 概述

槽形梁(也称 U形梁)是一种下承式桥梁结构形式,适用于铁路桥、公路桥及城市高架桥。槽形梁的主要受力模式是车轮荷载的力首先作用在槽形梁的底板上,然后底板将荷载横向传递到两侧纵向主梁。

本文结合国外一座预应力混凝土简支槽形梁的三维仿真建模,分析了在荷载作用下槽形梁的空间力学特性,并提出了设计中应当注意的问题。

2 结构概况

某桥为一座公路两车道简支槽形梁结构,跨度为39m,支座到梁端 0.5m,桥梁全长 40m。

结构概图如图1所示。

槽形截面高度沿直线变化,从支点处的 2.5m到跨中的 3.5m。腹板宽 0.35m。在支点处、跨中及四分点处将腹板加厚到 65 cm。并在支点处将底板加厚80 cm。槽形梁截面如图2所示。

梁体采用 C50混凝土。

桥面铺装层厚度为 0.15m。

桥面布置:2车道,每个车道宽 3.75m。

纵向预应力筋:腹板采用 15-φs15.2钢束,底板采用 12-φs15.2钢束 。

预应力筋的布置如图3所示。

活载:英国规范 BS5400中的 HA、HB荷载。

图1 槽形梁概图(单位:cm)

图2 槽形梁截面尺寸(单位:cm)

图3 槽形梁预应力筋布置

3 结构分析软件

本结构采用 MIDASFX+V 2.0.0和 MIDAS/Civil 2006进行计算。整个结构共划分节点19 940个,单元93 895个。其中,混凝土用四面体实体单元模拟,共91 885个单元,预应力筋用桁架单元模拟,共 2010个单元。

全桥的模型如图4～图6所示。

图4 全桥结构三维图

图5 全桥结构立面

图6 全桥结构侧面

4 结构计算工况

工况一:HA、HB荷载分别作用 1个车道

荷载组合为:自重 +二期恒载 +桥面铺装 +预应力 +0.7×(HA+HB);

工况二:2个车道上都作用 HA荷载

荷载组合:自重 +二期恒载 +桥面铺装 +预应力+0.7×(HA+HA);

工况三:仅在 1个车道上作用 HB荷载

荷载组合:自重 +二期恒载 +桥面铺装 +预应力+0.7×HB;

如果考虑活载在实体单元上走行,会使得计算量相当大。因此,计算时先建立一个全桥梁单元模型,将各种工况下最不利弯矩和最不利剪力作用时的荷载作用位置追踪出来,将其加载到实体单元模型上。采用此方法后,计算量大大减少。

5 结构分析结果

通过对各种工况计算结果的对比,HA+HB为控制工况。以下就选择 HA+HB荷载作用下的内力和应力进行说明。

5.1 反力计算结果

成桥状态每个支座处的反力为2 534 kN。HA+HB荷载作用下,单个支座处的最大反力为3 183 kN。

与采用梁单元建模时的反力相当,间接说明了本几何模型的尺寸是正确的。

5.2 全桥的主拉应力

HA+HB作用下,全桥主拉应力如图7所示。

图7 HA+HB作用下全桥主拉应力云图(单位:MPa)

从图7可以看出,全桥拉应力最大的截面距离支点 2.0m左右,其值为 1.43MPa,此截面上的应力云图如图8、图9所示。

图8 距离支点 2.0m的截面主拉应力云图

图9 距离支点 2.0m的截面正应力云图

从图8可以看出,主拉应力最大的截面上应力超过 0.4ftk=1.07MPa的区域主要是在腹板外侧加劲肋区域内。从图9中可以看出,截面上同一高度处的应力分布很不均匀。

5.3 剪力滞效应

由于本梁的底板较宽,为了清楚表明本简支梁的剪力滞效应,特别选取 4个特征截面查看应力结果,见表1。

表1 39m简支槽形梁的特征截面

对于 4个特征截面,分别提取工况(HA+HB)荷载作用状态下的剪应力结果(图10～图13)。

图10 特征截面一的剪应力

图11 特征截面二的剪应力

图12 特征截面三的剪应力

图13 特征截面四的剪应力

从图10～图13中可以看出,支点附近截面上的应力分布很不均匀,而跨中截面的应力分布就相对均匀。这就很清楚表明了 2车道槽形梁的剪力滞效应,跨中截面效应较小,支点处效应较大。

6 结语

综合以上对简支槽形梁的空间分析及结构特点分析,得到以下结果。

(1)通过采用实体结构分析软件对槽形梁进行分析,更加明确其空间受力,同时,对于采用梁单元的计算结果也是一种复核。

(2)实体模型中,活载加载时,考虑到其在实体单元上走行会导致建模难度和计算量的加大,因此,本桥首先建立了梁单元的模型,将各种工况下最不利弯矩和最不利剪力作用时的荷载作用位置追踪出来,将其加载到实体单元模型上。如此一来,计算量大大减少。

(3)在分别计算了 HA+HB,2HA,HB三种工况下的内力和应力后,发现在 HA+HB作用下结构的应力最大,因此,HA+HB为控制工况。HB荷载单独作用时,虽为偏载,但其导致的扭转效应并不是最大。这主要是由于底板的横向挠曲变形,引起主梁内倾,这种内倾作用导致的扭转以两个车道满载最为明显。这一点在文献[3]中也得到了证明。

(4)由于本桥为 2车道公路桥,底板较宽,在计算结果中可以看出距离支点越近,截面的应力分布越不均匀,剪力滞效应越明显。因此在设计中应充分考虑这一现象对于结构应力验算的影响。

(5)在距离支点 2.0m左右的区域,主拉应力较大。可以通过将腹板箍筋直径加大(亦可采用 2根一束),或是将预应力筋平弯至端部加大截面的腹板中轴线上。

(6)槽形梁作为一种低高度梁,当桥下净空受到限制时,特别是在立交枢纽中,能有效降低线路高度。但由于其受力及构造的复杂性,设计时应特别关注结构的空间受力特性。

[1] JTGD62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[2] BS5400,英国桥梁规范[S].

[3] 陆光闾.连续铁路槽形梁桥空间作用分析[J].铁道学报,2000(5).

[4] 张兴杰.预应力混凝土槽形梁应用及研究综述[J].山西建筑,2006(3).

[5] 张晓林.国内轨道交通高架桥标准梁设计的回顾和探讨[J].都市快轨交通,2004(6).