[箱梁横隔梁内力在不同工况下的有限单元法与简化计算结果比较分析] 箱梁横隔梁内力计算算力
时间：2019-05-26 03:32:42 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要：本文以黄龙溪锦江大桥主桥为工程背景，采用有限单元法与简化计算方法对不同工况下箱梁横隔梁的受力进行分析比较，对箱梁横向预应力束张拉工序的改进与横隔梁的简化设计计算具有一定的应用和参考价值。
关键词：横隔梁，应力计算，应力分布
Abstract: This paper take Huanglong Valley of Jinjiang bridge as the engineering background, using the finite element method and simplified calculation method to analyzes the different conditions box beam under the force of diaphragm beam, the box beam transverse prestress tensioning process improvements and diaphragm beam simplified design calculation has certain practical and reference value.
Key words: cross beam; stress analysis; stress distribution
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
0 前言
黄龙溪锦江大桥主桥为55＋100＋55米连续梁桥。主梁采用单箱单室截面，箱梁顶板宽18.0米，底板宽11.0米，箱梁顶板设置2.0%的双向横坡。箱梁跨中及边跨支架现浇段梁高2.7米，箱梁根部断面和墩顶0号梁段梁高6.0米，梁高从中跨跨中至箱梁根部按1.8次抛物线变化。主桥纵坡为2.4%。主梁为三向预应力混凝土结构，采用C50混凝土。全桥纵向、横向、竖向预应力钢束均采用φs15.2高强度低松弛预应力钢绞线，标准强度为fpk=1860MPa，Ep=1.95E+05MPa；加载至规定负荷的80%时，松弛损失不大于4.5%；控制张拉应力σk=0.75fpk=1395MPa，采用超张拉。主桥上部结构采用分节段悬臂浇注法进行施工，按照移动挂篮、浇注梁段、张拉预应力钢束的顺序循环施工，完成对称悬浇后，浇注边跨现浇段。边跨现浇段在落地支架上一次连续浇注完成。采用先边跨后中跨的合拢方式，边跨合拢后拆除零号块的临时支座，实现体系转换，而后完成中跨合拢。
1 简化计算模型的建立
利用平面杆系软件Doctor Bridge3.03建立全桥纵向模型。计算模型单元总数84个，节点总数88个，计算节段57个。其中上部箱梁单元68个，箱梁单元按照实际梁段、变截面处、支座作用处进行划分。
图1 全桥纵向杆系模型
上部箱梁结构梁段对应单元编号如表1：
表1 箱梁梁段对应单元编号
在当前的简化计算中主要是将横隔梁简化为两端铰接的简支梁与两端刚性约束的固端梁，以及介于两者之间的半刚性约束梁。对于具体在设计中所采用的设计方法，偏于安全考虑往往选取两种极端情况约束弯曲刚度为零和约束弯曲刚度无穷大的简化方法来设计和验算。由于邻近梁段的约束作用，中横隔梁的矩形截面通常只负担了全部荷载产生的65%的效应，端部横隔梁的矩形截面只负担了全部荷载产生的75%的效应。剩余部分的荷载效应由旁边横隔梁加腋及桥面板承担。因此为了使计算模型更符合实际情况，通常可以取矩形截面每侧加6倍顶板厚的顶板和6倍底板厚的底板形成的“工”字形作为计算截面[1] [2]。采用两端铰接的简支梁，将荷载（包括恒载和活载）[3] [4] [5]按一定比例拆分为集中荷载和均布荷载，简化分析恒载、活载、横向预应力等三种工况下横隔梁的应力分布情况，并与有限元计算结果进行比较。
1.1 杆系横隔梁简化模型
将横隔梁分为20个计算单元，21个计算节点。截面取横隔梁的矩形截面并向两侧延伸6倍顶板厚度的“工”字形截面。计算恒载、活载、横向预应力三种工况，其中恒载、活载按照4：1的比例分别集中作用在腹板位置，均布荷载分布在顶、底板处。计算简图如图2所示：
图2横隔梁简化计算模型与横截面简图
2 横隔梁有限元模型的建立及结果分析
通过有限元软件Ansys10.0对黄龙溪锦江大桥0号块及附近1号块建立实体有限元模型。主要对墩顶横隔梁（即0号块内隐型盖梁）进行横向分析。在1号块悬臂边缘建立主节点，形成刚域来模拟其它梁段的约束作用。利用1号块作为边界约束，并在0号块底部施加支座约束，分析0号块内的横隔梁。采用solid95单元模拟混凝土，link8单元模拟预应力束。全模型共有93074个单元，152338个节点。如图3：
图3 箱梁横隔梁（含邻近梁段）实体有限元模型
简化计算结果与有限元计算结果比较
分别考虑横隔梁在恒载、活载、横向预应力等三种工况下，由于受邻近梁段的约束作用，以及简化模型未考虑的墩顶横隔梁中人洞（其对结果影响较小，可忽略不计）。比较空间实体有限元模型与简支梁简化计算模型产生的差别，其结果如下(均取压应力为正)：
表2 横隔梁恒载工况下结果比较（KPa）
由表2可得出结论如下:横隔梁在恒载工况下,其上缘应力主要为正压应力；下缘应力主要为正拉应力。由上表结果可见，当截面取“工”字形，且恒载分配按照前文所述腹板与顶、底板比值4：1时，简化计算与有限元方法计算结果较为接近，误差在5%左右。
表3 横隔梁活载工况下结果比较（KPa）
由表3可得出结论如下：横隔梁在活载工况下，上缘应力主要为压应力，下缘应力为拉应力。其中横隔梁简化计算结果与有限元结果进行比较，跨中截面上缘与1/4截面下缘相差20%左右，误差主要是由活载的简化处理使得两者施加活载作用的差异产生；跨中截面下缘与1/4截面上缘两者结果较为接近。
表4 横隔梁横向预应力工况下结果比较(KPa)
由表4可得结论如下：横隔梁在横向预应力工况下，上缘截面与下缘截面均为压应力为主。1/4截面应力简化计算与有限元计算的误差在30%左右；而跨中截面的应力情况简化计算与有限元计算结果比较接近，误差在4%左右。其1/4跨截面误差产生的原因主要是因为两种计算模型支座处的边界约束有些差异。跨中截面距支座约束较远，且两种计算方法结果比较接近。可见，虽然横隔梁的横向预应力效应会部分分配到邻近梁段，然而当截面左右延伸形成“工”字形截面时，此时截面宽度接近横向预应力的有效分布宽度，简化计算出的结果和有限元结果误差在容许范围内。
4 结论
1）在恒载工况下，简化计算和空间实体有限元计算的结果比较接近，误差均在5%左右。
2）在活载工况下，简化计算部分控制截面和实体有限元计算结果误差较大，在20%左右。误差产生的原因主要是因为活载的简化处理使得两者施加活载作用有些差异。
3）在横向预应力工况下，1/4跨处截面误差较大，约为30%左右。误差主要是由两种计算模型在支座约束处理上的差异产生。而在离支座较远的跨中截面，两种计算方法所得结果比较接近，误差在4%左右。
经比较得结论：当横隔梁简化模型按一定条件进行处理，包括将横隔梁的矩形截面往两侧延伸，其中顶板延伸顶板厚度的6倍左右，底板延伸底板厚度的6倍左右，形成的“工”字形截面；将恒载、活载按4：1的比例分别分配到顶、底板与腹板处。此时两种计算方法所得结果比较接近，控制截面应力误差在容许范围内。因此，在连续箱梁横隔梁的设计计算中，将横隔梁进行一定的简化处理是可行的。
参考文献：
[1]李鹏，郑亮，箱梁横隔梁的简化计算方法及应用.工程实例，陕西省林业调查规划院
[2]单晓芳，箱梁横隔梁的简化计算方法及在工程中的应用[J]，广东公路交通，2006，（3）：42~44.
[3]黎海堤，陈大根.箱梁预应力横隔梁的实用设计计算方法．桥梁建设，2002，3:52~54．
[4]刘治宇，箱梁横隔梁平面杆系有限元与空间有限元计算比较.北方交通，2007，第12期，51~53.
[5]杨红录，箱梁横隔梁计算方法的探讨.城市道桥与防洪, 2005,(02)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
