钢桁架桥车道荷载施加时横向分布系数的计算方法研究

2020-11-26武剑

建材发展导向 2020年1期

关键词：计算方法挠度模态

武剑

（沈阳市市政工程设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

关键字：钢桁架桥；车道荷载；计算方法

钢桁架桥车道荷载施加时横向分布系数的计算有着重要的意义，能够直接影响活载剪力以及活载弯矩，因而实际进行计算的过程中需要找好计算方式，进行精准高效率的计算。

1 相关背景

随着经济的飞速发展，基础设施建设正在紧张的进行中，在这个过程中必然要修建很多的桥梁工程，而中小跨径的梁式桥更是占了很大的比例…。在这些桥梁的设计工作中，横向分布系数的计算是一项非常重要的环节，它的准确性关系到活载弯矩和活载剪力的计算结果，从而影响桥梁设计的整体工作。由于计算机性能的不断提高，将计算机编程软件引入到桥梁设计工作中成为一种趋势，而且得到越来越多人的重视。本文介绍了MATHCAD这样一个工程计算软件，并利用它强大的编程功能，编制出公路桥梁荷载横向分布系数的程序，通过和手算结果比较，可以证明程序计算的数据的准确度满足设计的要求。这里仅介绍用刚接梁法计算有横隔梁T型梁桥的荷载横向分布系数程序，其余方法的程序体可按此写出。Mathcad是一款集编程、计算、显示、文档记录于一体的大型工程计算软件，由美国PTC公司开发研制。它与专有的计算工具和电子表格不同，Mathcad允许工程师利用详尽的应用数学函数和动态、可感知单位的计算来同时设计和记录工程计算。独特的可视化格式和便笺式界面将直观、标准的数学符号、文本和图形均集成到一个工作表中。Mathcad采用接近在黑板上写公式的方式让用户表述所要求解的问题，通过底层计算引擎计算返回结果并显示在屏幕上。计算过程近似透明，使用户专注于对问题的思考而不是繁琐的求解步骤。这是由于这些优点的存在，使得Mathcad更加适合在设计工作中应用，为设计工作者提供了极大的便利。

2 计算方法

目前，已有大量对桥梁结构进行空间计算理论的研究，但大部分还是应用“荷载横向分布”这一概念，把空间计算问题合理地简化为平面问题来解决。公路桥梁荷载横向分布系数的计算方法有很多，典型的计算方法有刚 (铰)接梁法、GM法、修正偏压法等，这些计算理论都有其独到之处和适用范围，同时，其 (杠杆原理法除外)理论根据都是以主梁挠度横向分布规律来确定荷载横向分布。同样是依据于这一理论根据，模态参数法的主要工作就是确定外荷载作用下横向各片梁之间挠度的比值关系，从而计算出荷载横向分布系数。模态参数法的精度主要取决于桥梁结构模态分析的精度，计算机和有限元理论的发展使对桥梁结构进行计算模态分析变得非常容易。而且，如果“以主梁挠度横向分布规律来确定荷载横向分布”的理论根据对所分析桥梁是适用的，那么模态参数法就不受桥梁结构类型的局限，对于一般桥梁而言具有通用性。模态参数是指桥梁结构计算模态的固有频率、振型以及模态质量等参数。模态参数法与其他方法不同之处在于荷载横向分布影响线是由这些模态参数计算出来的。应用此方法时，首先通过模态参数计算模态柔度，此处模态柔度的物理意义为单位荷载作用下，各片梁发生的挠度；其次根据模态柔度，提取各片梁在跨中位置的变形值，根据变形值和梁的片数，计算、绘制荷载横向分布影响线；最后，与其他方法一样，在横向分布影响线上进行最不利布载来计算相应梁的横向分布系数。通过与模型试验的实测结果比较，以及一座公路斜交T型桥梁的分析，模态参数法可以比较精确地用于计算桥梁荷载横向分布系数。1）如果“以主梁挠度横向分布规律来确定荷载横向分布”的理论根据对所分析桥梁是适用的，则本文方法就不受桥梁结构类型的约束；2）利用模态参数法计算桥梁荷载横向分布系数，主要利用了模态柔度的概念。该方法的精度也主要取决于桥梁计算模态参数的精度，即模态阶数越多，精度越高；3）冲击系数为桥梁基频的函数，设计桥梁时必须进行模态计算。而利用本文方法，同时还可以计算荷载横向分布系数。各种近似的计算方法由于推演时采用了假设，如刚性横梁法假设横梁的刚度为无穷大，这样横梁就相当于刚体，从而导致了边梁受力偏大，使近似方法并不能比较准确地反映桥梁结构的实际受力状态，这从以上的近似方法的计算结果与实测值的对比可以看出，而空间梁格法由于较为真实的反映了桥梁结构的受力状态，其横向分布规律与实测值。进行桥梁设计时，采用近似方法其计算结果偏于安全，但不经济。而在旧桥加固中，旧桥设计荷载一般均较低，常常在加固的同时需提高桥梁的荷载等级，如采用近似方法，其计算结果虽然偏于保守，但并未充分发挥结构的潜能，经济性不佳，而且会由于承载力提高过多，使加固方案不可行。