基于梁格法的斜交空心板桥计算分析

2016-11-29袁友忠

公路与汽运 2016年5期

关键词：格法边梁斜交

袁友忠

（衡南县农村公路管理所，湖南衡阳 421100）

基于梁格法的斜交空心板桥计算分析

袁友忠

（衡南县农村公路管理所，湖南衡阳 421100）

为研究斜交空心板桥的空间受力性能，以潭邵（湘潭—邵阳）高速公路上3座不同斜交角度的空心板桥为研究背景，利用MIDAS/Civil建立梁格模型进行计算分析。计算结果表明，对于20 m斜交角度为25°的空心板桥，其中梁在公路-Ⅰ级活载作用下的活载效应比汽车-超20增大约3.1%，而边梁减小5.5%；对于13 m空心板桥，在自重作用下，斜交角度为30°时的荷载效应比斜交角度为40°时的大22%左右；13 m斜交空心板桥的活载效应与20 m斜交度为25°的空心板桥类似。

桥梁；斜交空心板；梁格法；荷载效应

高速公路上的大型桥梁一般设计为直线形式，很少在桥上设置缓和曲线或设计为斜交桥，但一些中小型桥梁为了满足线形需要，同时为了跨越一些小的公路或水沟不得已设计成曲线或斜交的形式。预应力砼空心板桥受力明确且构造简单，是中小型桥梁设计的首选。但一旦正交的空心板桥变成斜交的空心板桥，其受力就会发生较大变化。对比已有斜交空心板和正交空心板桥的病害情况，它们之间的典型病害存在较大不同，这主要是由其受力不一致造成的。该文以潭邵（湘潭—邵阳）高速公路上不同斜交角度空心板桥为研究背景，采用有限元方法分析斜交角度对预应力砼空心板梁受力特性的影响，为工程设计及加固提供参考。

1 工程概况

潭邵高速公路是国家重点规划的“五纵七横”国道主干线网中上海至云南瑞丽高速公路在湖南境内的一段，主线全长217.968km，采用全部控制出入的四车道高速公路标准，设计行车速度按路段分别采用120和100km/h。其中湘潭至娄底段（K1054+400—K1134+060）共有111座桥梁，分别为：主线及跨线桥梁79座（特大桥1座、大桥5座、中桥40座、小桥33座；空心板桥36座，预应力空心板桥30座，T梁桥7座，现浇箱梁5座，组合梁桥1座）；天桥32座。选取其中斜交角度较大，具有典型意义的3座桥梁进行研究，桥梁参数见表1。

表1　潭邵高速公路上3座斜交空心板桥的设计参数

2 研究方法

3座桥梁的斜交角度都超过20°。根据相关文献，当斜交角度大于20°时，采用普通单梁模型进行计算将与实际产生较大偏差，一般采用剪力-柔性梁格法。

（1）梁格法的基本概念。梁格法的主要思路是将一个结构分散成横向和纵向构件，之间采用虚拟梁连接，其中纵向构件为分散的每块主梁的抗扭和弯曲刚度。

（2）梁格划分的基本原则。采用梁格法对桥梁结构进行划分时主要遵守以下原则：1）纵向构件的位置与纵向腹板相重合，为加载方便，可在悬臂端部设置虚拟纵向构件。2）横向梁格设置视结构的实际情况确定，若横隔板较多，则横向构件与横隔板重心重合；若横隔板间距较大，则增加横向虚拟梁格，每跨至少分成3～6段，以保证足够的精度。

（3）斜交梁格划分。考虑到斜交桥的受力特性，斜交桥的梁格划分应尽量与力的作用方向或结构内配筋方向一致。当斜交角度小于20°时，在与正交桥梁受力相差不大的情况下，可采用图1（a）所示的斜交梁格；当斜交角度较大且桥面较窄时，采用图1（b）所示平行设计强度线的方式划分梁格；当桥面宽度和跨度相当或大于跨度时，按照图1（c）所示划分梁格较为合适。由于3座桥梁都较宽，采用图1（c）所示正交于支撑的梁格方法进行计算。

图1　斜交桥上部结构网格划分

选用桥梁专用设计软件MIDAS/Civil 2012进行计算分析，将验算参数分别应用至程序中进行折减。根据JTJ D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》选取基本组合进行验算。

3 计算分析

3.120 m斜交角25°预应力空心板计算分析

K1071+970响水坝中桥跨径为20 m，空心板斜交角度为25°，空心板横向数量为8片。

梁格法中最重要的单元即纵向主梁采用平面梁单元模拟，空心板的两边支承采用简支形式，但由于空心板之间采用铰接形式，每片纵梁之间的横梁均划分为2个单元，单元之间的结点设为铰接。通过在“模型＞边界＞释放梁端约束”中选择“铰-刚接”进行模拟，程序自动将单元的My、Mr约束设置为零。模型中，纵梁为实梁，横梁为虚拟梁（不计重量），两者材料特性一致。汽车活载通过软件中的横向联系梁来模拟。模型同时考虑结构自重及温度荷载的作用，根据荷载组合要求进行主梁极限承载力计算（见图2）。