关于城市宽箱梁横向分布系数的取值分析

关于城市宽箱梁横向分布系数的取值分析

摘要：变截面连续箱梁桥、连续刚架桥的设计,一般均将桥跨结构视作弹性梁元,采用平面杆系程序计算。荷载偏心用增大系数法考虑,增大系数的取值对于宽跨比很大的城市桥梁具有很大的任意性。本文以某实桥为背景,采用ANSYS 结构分析通用程序计算了多个特征断面各腹板的横向分布系数。据此,对照了按荷载横向分布简化算法的计算结果,所得出的结论,可为同类工程设计提供参考。

关键词：宽箱梁;横向分布;空间分析;简化算法

Abstract: The variable cross section continuous box girder bridges, continuous rigid frame bridge design, generally will bridge structure as an elastic beam element, the plane pole-system program calculation. Eccentric load by increasing the coefficient method to consider, increase coefficient for width span ratio of big city bridges with large arbitrariness. Taking a bridge as the background, using the ANSYS general structural analysis program calculates the multiple features of the web section of transverse distribution coefficient. Accordingly, controlled by lateral load distribution algorithm of calculation results, the conclusion, for similar engineering design to provide a reference.

Key words: wide box beam; transverse distribution; spatial analysis; simplified algorithm

1概述

实桥位于某高速公路交点,为三跨(42m+80m+42m)预应力混凝土上承式

拱梁组合体系桥。主梁两侧边墩处各有一片端横梁,宽1.3m,主墩中心及中跨跨中两侧各有两片横梁,宽0.4m,边跨及中跨在主拱与主梁的结合处均设置横梁,宽0.6m。主梁采用单箱三室断面,箱梁顶宽25.5m、底宽17.3m,腹板中距为5.75m 及5.8m,两边悬臂4.1m,跨中梁高2.0m。主拱腿采用钢筋混凝土单箱三室断面,宽17.3m,高1.4m,腹板中距与主梁相同。副拱采用实心矩形断面,宽17.3m,高0.6m。为保持沪杭高速公路车流畅通,主桥采用中心转体施工。主桥总体及主梁断面见图1。

图1主桥总体及主梁断面示意图单位:cm

2ANSYS板壳元空间分析

由于主桥为对称结构,计算模型取1/2模型,模型单元为SHELL63弹性壳单元,

共有574个单

元、545个节点,如图2所示。支承条件:主墩固接,边墩为竖向约束,跨中为对称约束。首先获得桥面单元各节点的位移影响面,由位移影响面推算箱梁各腹板的荷载分布。分析中提取了9个断面来分析荷载横向分布,这些断面如图2中以SEC1~SEC9表示。分析中发现:SEC4,SEC6与SEC2荷载横向分布特征相似,SEC7与SEC3荷载横向分布特征相似,SEC8的荷载横向分布特征介于SEC6与SEC9之间。限于篇幅仅将SEC1~SEC3,SEC5及SEC9特征断面边、中腹板的荷载横向分布影响线列如图3示。由图3可知:SEC1断面为支点断面,荷载横向分布呈现杠杆原理;SEC2断面由于主拱的支撑作用纵向跨径减小,宽跨比为25.5/20=1.275/1,箱梁断面各腹板偏载明显,荷载横向界于杠杆分布与刚性横梁分布之间;SEC3断面位于边跨有强大横梁(高3.78m)的跨中,荷载横向分布呈现刚性横梁原理;SEC5断面由于副拱的支撑作用纵向跨径明显减小,宽跨比达25.5/5.8=4.4/1,荷载横向分布呈现杠杆原理;SEC9断面位于中跨跨中,宽跨比25.5/40.36=0.63/1,箱梁断面各腹板呈现共同受力特性,荷载横向分布近似刚性横梁法。按双向六车道、城-A级车道荷载,对上述各断面边、中腹板的荷载横向分布影响线进行动态规划法加载,获得各腹板的荷载横向分布系数值见表1。

表1 更特征断面横向分布系数值

图2计算模型

3与简化计算方法的比较

3·1与一次刚度换算法的比较一次刚度换算法[1],即把非简支梁体系的某一桥跨变换为跨度相同的等刚度常截面简支梁。为了简化分析方便,将图2中的各断面几何特征值列成表2。首先应用一次刚度换算法原理得到SEC1~SEC9计算断面的换算惯矩,其次将箱梁全断面划分为四片刚度相等的I梁,最后应用考虑抗扭的弹性支承连续梁法[1]得到SEC1~SEC3,SEC5及SEC9特征断面各I梁(即边、中腹板)荷载横向分布影响线,如图4所示。对上述各断面边、中腹板的荷载横向分布影响线进行动态规划法加载,获得各腹板的荷载横向分布系数值,分别与增大系数法、ANSYS板壳元分析法比较见表3。

表2 各断面几何特征值

图4各特征断面荷载横向分布影响线

表3

3·2计算结果比较

(1) ANSYS板壳元空间分析法,通过对整个结构进行模拟,能比较精确地反映各断面的荷载

横向分布特性:支点断面及宽跨比较大断面SEC5近似杠杆分布、跨中断面SEC3及SEC9近似刚性

横梁法。但必须借助有限元通用程序来完成。因此,作为校核简化算法的计算结果是有效的,但不

便于工程应用。

(2)一次刚度换算法,通过等刚度思想将超静定变截面结构等效为简支常截面结构。与图3比较可知图4中:SEC1支点断面按刚性横梁分布与实际杠杆分布不符,横向分布系数边腹板偏小24.5%,中腹板偏小16.9%;SEC3断面影响线反映的横向结构刚度比实际偏小,而SEC9反映的比实际偏大;荷载作用于各断面悬臂端时,对边、中腹板荷载分布的影响未得到如实反映。

(3)增大系数法[1],按现行考虑活载偏载取增大系数1.15,则边、中腹板的横向分布系数按六车道控制均为0.9488(6×0.55×1.15÷4=0.9488)。由表3可知:增大系数法所取横向分布系数值与ANSYS空间分析法值偏差因不同断面、不同腹板而不同,支点断面(SEC1)及宽跨比很大的断面(SEC5)较大,跨中断面(SEC3,SEC9)及宽跨比较小的断面(SEC2)较小,中腹板偏差较小而边腹板偏差较大(44%)。

4结语

一次刚度换算法能较简便地估算结构纵向各断面的荷载横向分布,跨中断面可根据等效刚度按考虑抗扭的弹支连梁法计算;但在支点断面刚度较难精确等效,可采用实际断面刚度按杠杆法计算荷载横向分布;建议在用平面杆系程序分析本实桥相似的宽箱梁结构时,采用沿桥跨变化的活载横向分布系数,以使分析结果与