曲线槽形连续刚构桥的板梁结合有限元分析

张宪亮

摘 要 預应力混凝土槽形梁是一种下承式桥梁结构，具有建筑高度低、施工方便等优点，在城市高架桥应用中拥有独特的优势。武汉枢纽新墩至汉西上行联络线汉西大桥采用（37+64+37）m单线连续槽形刚构，曲线半径580m，边梁采用等I型高度截面梁，桥墩采用薄壁双肢墩，转体施工，结构整体构造简单。但槽形截面梁作为一种开口式薄壁结构，其承受弯扭耦合作用时的力学性能更为复杂，采用板梁结合空间有限元模型能够更准确的分析其受力特性。

关键词 曲线梁 槽形梁 板梁结合 有限元

中图分类号：U448.38 文献标识码：A

0引言

汉枢纽汉西特大桥上跨既有武康线与既有京广线，跨越处武汉枢纽铁路平面曲线半径为580m，轨底标高33.58m，既有武康线与既有京广线轨顶标高分别为24.90m、24.30m，要求净空为6.90m。为满足桥下净空及限界的要求，主桥上部结构采用（37+64+37）m连续槽形刚构结构。全桥立面布置图如图1所示。

1结构设计

边梁为I型，其顶板宽2.0m，厚0.8m，跨中截面腹板宽0.6m，中支点截面腹板加宽为1.1m。端支点截面为矩形，宽2.0m。槽形梁底板宽11m，厚0.6m。薄壁双肢墩壁厚1.1m，高6.0m。上承台高3.0m，为半径13.0m的圆形；下承台高3.0m，为内切圆半径13.8m的正八边形。上下承台间设置转动系统。

梁部及墩柱采用C55高性能混凝土，其轴心抗压极限强度 fc=37Mpa，轴心抗拉极限强度fct=3.3Mpa，弹性模量Ec=3.60？04Mpa；

承台采用C40混凝土。

在腹板上翼缘、腹板和底板内布置预应力筋。预应力筋采用抗拉强度标准值为fpk=1860MPa、弹性模量为Ep=195GPa，公称直径为15.2mm高强度钢绞线，其技术条件符合GB5224标准（见图2、图3）。

2小半径曲线梁受力特点

曲线梁尤其是超小半径预应力混凝土曲线梁的受力状态复杂。在外荷载作用下，曲线梁桥不仅有竖向变形还有扭转变形，梁截面内产生弯矩的同时必然伴随着“耦合扭矩”的产生。且曲线半径越小，弯扭耦合现象越明显。由于曲线半径的影响，曲线梁内外侧梁长不等，因此两侧恒载不均，会产生较大的旋转扭矩。且因计算跨度不等，两侧梁部内力、应力和位移均不对称。

3有限元模型

3.1单元划分

将梁部结构截面分为左、右边梁和桥面板三部分，其中边梁为顶底板翼缘均为2.0m的I型梁单元；桥面板为分布在宽7.0m范围内的四个板单元。，通过设置偏心使梁单元节点位置在I型梁中轴线上距底缘0.3m处，与桥面板单元中心对齐。梁部截面上板、梁单元的划分如图3所示。

双肢墩的墩壁用板单元模拟，上下承台用梁单元模拟。

见图4。

3.2板梁结合

板梁组合系理论，是用纵向水平缝沿板梁 交结处将各主梁梁肋与桥面板分割开来，桥面板看作是支承在各柔性主梁上的多 跨弹性支承连续曲板。

为了使用板单元与梁单元协同作用，将梁单元节点与邻近的板单元节点之间建立刚臂约束。刚臂约束契合梁单元的平截面假定，即梁单元截面内刚度无穷大。刚臂单元在传递桥面板作用的同时，能够很好的照顾桥面板与边梁的变形协调。利用梁单元节点的位移以及梁单元截面绕节点的截面内旋转，可以近似得到与梁单元节点邻近的板单元节点节点的位移。

3.3边界条件

在梁端处，在曲线内、外两侧腹板梁单元的节点上分别设置单向支承和双向支承；在承台底设置固定支承。

计算活载采用中活载，通过在桥面板单元上设置车道面加载。

二恒采用13.2kN/m2，分布设置在所有桥面板单元上。

3.4加载预应力

为了在槽形梁桥面板中添加预应力筋，利用板单元的节点建立一系列纵桥向布置的虚梁单元。虚梁单元的材料特性中的弹性模量和材料重度设置为无穷小。在两侧边梁的上缘、下缘和腹板内分别施加预应力荷载，并把布置桥面板内的预应力荷载施加到虚梁单元上。

4计算结果

4.1应力

（见表1、图5。）

4.2强度

（见表2）

4.3位移

5结论

（1）采用板梁结合的方法，可以对桥梁结构进行空间分析，而且避免了梁格法中对横梁的抽象简化。

（2）槽形截面梁属于薄壁开口截面结构，抗扭刚度较小，在弯扭耦合作用下会产生截面畸变。

（3）小半径曲线梁桥的内外两侧受力和变形不均，外侧应力和位移均比内侧大，不能简单的按直线桥简化计算。

参考文献

[1] TB10002.3-2017，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[2] JTG D62-2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].