双柱墩盖梁墩顶负弯矩的取值分析

康二川　李睿　陈志强

摘要： 基于桥墩盖梁工程实例通过有限元软件，研究盖梁高度、桥墩支撑宽度、桥墩间距及桥墩高度的变化对盖梁内力影响，本文同时选取三种结构计算模型，研究双柱墩墩顶负弯矩建模的最简便而准确的简化方法。分析表明：采用梁单元建模，然后根据规范给出的公式对墩顶负弯矩进行削峰处理，所得到的结果与实体模型对比有明显差别，梁单元的方法过于保守，造成资源的浪费。

Abstract： The finite element software is applied to analyze the effect of capping beam height， piers supporting width and piers spacing and height to capping beam internal force variation. In this paper， in order to find the simplest and the most accurate modeling method of striking the negative moment on distyle pier top， we selected three calculation models， which can provide a reference for future designers.

关键词： 双柱墩盖梁；数值模拟；内力削峰；对比分析

Key words： double-column pier capping beam；numerical simulation；internal force shave peak；comparative analysis

中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0105-03

0 引言

双柱墩盖梁结构已在市政道路桥梁及高速公路中广泛使用，其具有施工工艺成熟、造型简洁等特点。盖梁主要承受上部结构的恒载作用及来自主梁传递的活载，是桥梁重要的承重构件[1]。盖梁在桥梁结构中有着举足轻重的地位，其合理的简化计算模型和合理调整盖梁内力的计算结果的方法，是保证盖梁结构的耐久性和经济性的关键所在[2]。

盖梁计算是桥梁工程中常见的问题，通常是采用传统手算的计算方法，但手算法比较麻烦、费时。随着有限元技术的迅速发展，促进了计算能力的提高，提高了工作效率。但要想比较准确地反映盖梁的受力状态，应建立空间模型。从桥梁上部到下部整体建模，虽然很多有限元软件均可做到，但也要花费大量时间[3-4]。赵军[5]通过有限元软件Midas对双柱式盖梁进行整体分析，比较桥墩高度、桥墩间距和盖梁高度对盖梁截面内力的影响，提供在不同受力情况下盖梁预应力束的合理布置的依据；李杰[6]采用“Midas Civil”，对双柱式盖梁按不同的四种模型进行内力分析，得到“优化刚架杆系模型”建模简单，并且盖梁内力计算结果与刚架空间模型更相符。但目前关于通过不同模型研究盖梁内力的研究较少，本文以工程上常见的双柱式盖梁作为研究对象，运用有限元建模的计算方法采用三个不同的模型对盖梁内力进行对比仿真分析。

1 结构概况及计算模型

1.1 工程概況

本文以一个40mT梁的桥墩盖梁为例，其桥面宽12m，横向布置为5片T梁，桥墩采用双柱式桥墩，柱高5m。该双柱式桥墩结构尺寸如图1所示。

上部结构T梁及附属设施经计算得出最不利的具体数值，如表1所列。

1.2 有限元模型

活载横向加载的方法：盖梁上部横向活载在“桥面板”上加载，“桥面板”通过“支座”传递给盖梁[7]。

模型一（传统的建模方法）：用Midas Civil软件，采用空间有限元计算方法对盖梁和立柱进行单元划分，盖梁与上部结构连接按照实际支座个数和位置采用只受压节点连接，盖梁与墩柱连接按弹性连接中的刚性连接设置，柱低端采用固结[8]。

模型二（推荐模型）：本模型是在模型一的基础上，考虑墩柱的支撑宽度对盖梁内力的影响，在墩柱边缘设置两个支撑点。

模型三（实体模型）：采用Midas FEA建立双柱墩盖梁的实体模型。上部结构恒载在支座位置处根据实际情况加载，活荷载的加载位置，根据Midas Civil中墩顶单元产生最大弯矩时影响线最大等值来确定。

相比较于杆系单元模型，实体单元模型模拟出的受力情况、计算结果更接近于实际情况，故采用模型三与模型一、二进行比较分析。

2 计算结果及讨论

盖梁是常见的钢筋混凝土构件，其截面设计是根据其所需承担的弯矩设计值来选定材料、截面形式及配筋量[9]。故本文采用承载能力极限状态下的墩顶负弯矩来比较分析。

计算结果说明： 1.2×恒载+1.4 ×公路I级汽车荷载（未计入冲击系数），其中恒载包括盖梁自重荷载和上部结构恒载；实体模型梁单元内力，根据Midas FEA局部方向内力总和提取得到；根据规范[3]第4.2.4条，对模型一的结果取值按0.9倍的折减。

图2是盖梁墩顶负弯矩随盖梁高度变化的情况，计算时取盖梁高度从1.1～2.0m之间变化取值。从图中可以看出，模型一墩顶负弯矩值，随盖梁高度变化而增加且变化趋势明显；模型二和模型三随盖梁高度变化而增加且二者变化趋势基本一致。

图3是盖梁墩顶负弯矩随桥墩间距变化的情况。取桥墩间距从6.1～7.0m之间变化取值。从图中可以看出，模型一墩顶负弯矩值，随桥墩间距变化而增加；模型二和模型三墩顶负弯矩值，随桥墩间距变化而减小，这是由于盖梁悬臂处上部结构恒载对墩顶负弯矩值贡献较大造成的。

图4是盖梁墩顶负弯矩随墩柱长度变化的情况。取桥墩间距从1～10m之间变化取值。从图中可以看出，模型一墩顶负弯矩值，随墩柱长度变化而简减小；模型二和模型三变墩顶负弯矩值，随桥墩间距变化而基本保持不变，这是由于墩柱长度对盖梁墩顶负弯矩的值影响不大。

图5是盖梁墩顶负弯矩随墩柱直径变化的情况。取墩柱直径从1.1～2.0m之间变化取值。从图中可以看出，模型一墩顶负弯矩值，随墩柱直径变化而增加且趋势不明显；模型二和模型三变墩顶负弯矩值，随墩柱直径变化而减小且趋势明显，这是由于模型一采用杆系单元建模，不考虑墩柱支撑宽度造成的。

由图2～5中所示可以知道：模型一所得盖梁墩顶负弯矩值比其它两种结果明显偏大；盖梁墩頂负弯矩随着盖梁高度和墩柱长度的增加而增加，但变化值不明显；盖梁墩顶负弯矩随着墩柱间距和桥墩直径增加而下降，由于悬臂端支座位置的影响造成的，变化是合理的。

3 结语

通过对盖梁控制截面内力的影响因素分析及工程实例分析，主要得出以下几点结论：

①采用在盖梁上建“桥面板”，再在“桥面板”上加载横向活载的方法，计算不仅省去了计算活载横向分布系数的过程，且结果满足工程精度的要求，值得推广应用。

②采用梁单元建模，然后根据规范给出的方法对墩顶负弯矩进行削峰处理，所得到的结果与实体模型对比有明显差别，梁单元的方法过于保守，造成资源的浪费。

③规范给出的方法不适用于墩柱支撑宽度过大的情况，建议给出墩柱支撑宽度过大时更合理的计算方法。

参考文献：

[1]葛占钊，胡国海，张耀元，等.桥梁柱式盖梁内力分析的有限元方法[J].公路，2008（1）：79-83.

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]JTJ D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4]何瑞平.盖梁计算软件对比与分析[J].低温建筑技术，2009（7）.

[5]赵军，向中富，蒋彧.双柱式墩盖梁内力影响因素分析及预应力束布置[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2012，31（1）：15-18.

[6]李杰.双柱式桥墩盖梁内力计算模型探讨[J].中外公路，2011（2）.

[7]李兵，王东阳，刘青春.墩台盖梁的空间有限元分析及简化计算[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2003（3）.

[8]薛兴伟，袁鸿.墩台盖梁设计中活载加载的实现与应用[J]. 建筑技术开发，2011（2）.

[9]徐成祥，何培玲.混凝土结构设计原理[M].北京：北京大学出版社，2006.