大角度斜交框构桥结构计算分析

大角度斜交框构桥结构计算分析

大角度斜交框构桥结构计算分析

摘要：本文主要对大角度斜交框构桥基于平面杆系分析方法和空间有限元分析方法，以一个工程实例为案例，分别建立平面模型、空间模型进行计算，分析计算结果，得出在空间有限元分析和平面有限元分析下，斜交框构桥内力结果的差异以及斜交框构桥配筋注意事项。

Abstract: in this paper, the main method and spatial finite element analysis method for the analysis of plane frame based on frame bridge of big angle skew, with an engineering example as a case, establish plane model, space model for calculation, analysis and calculation results, obtained in the space finite element analysis and finite element analysis, skew frame the results of internal forces between bridge and skew frame bridge reinforced the matters needing attention.

关键词：大角度斜交平面有限元空间有限元受力分析

Keywords: large angle oblique plane finite element space finite element stress analysis

中图分类号：[TU997]文献标识码：A 文章编号：

一、前言

随着我国交通事业的发展，城市桥梁、城市道路日益增多，公路、城乡道路以及市政道路相互之间的立体交叉、道路与河道、明渠，暗渠等水利交叉不可避免，且密度也随之加大，情况也多种多样。而框构桥是实现这种立体交叉的最主要的结构形式之一。框构桥也称为箱涵或地道桥。

框构桥的计算一般来说比较复杂，关于斜交桥的计算，无论国外还是国内都尚未形成完整的理论体系。无论是理论解析方法，还是数

值解析方法，都处于研究阶段。斜交桥计算中的许多关键问题仍然认识模糊，斜交桥设计理论与方法、力学特点、构造特点、施工要点不很明确，有关规范也没有对此做出明确的条文规定。这种现状给斜交框构桥的设计与施工带来很大的困难。因此，目前条件下的框构桥的设计一般多按平面变形问题进行计算。在正交情况下，这样计算一般可以满足设计要求，在斜交情况下，结构受力变形与正交情况差异很大，例如：钝角侧与锐角侧弯矩不同，顶板最大弯矩不在跨中等；故斜交框构桥的计算应考虑斜交的影响。已有的研究成果中框构桥多数是采用平面杆系进行结构受力分析的，即用传统的结构力学结合平面杆系有限元方法进行计算，并不符合大斜交角度的结构受力特点，与实际工程效果误差较大，无法满足工程需要。

如何快速简便、准确地对既有框构桥进行结构分析，合理配置钢筋，减少甚至避免结构裂缝的产生是目前急需解决的问题。

二、工程案例分析及结论

某市政工程框构桥斜跨跨径为2×11m共22m，桥梁与河道交角34度，桥宽30米。横断面布置为7.5m（人非混行道）+15m（机动车道）+7.5 m（人非混行道）=30m。框构桥高5m，顶板设计厚度0.6m，底板设计厚度0.6m，侧墙设计厚度0.6m。

立面

平面

现在很多框构桥的设计一般多按平面变形问题进行计算。但是在斜交情况下，结构受力变形与正交情况差异很大。本桥分别用桥梁博士与MIDAS建立平面模型及空间模型进行计算，并对两种计算方式的结果进行分析。

1、平面杆系计算

使用桥梁博士3.1.0软件，按平面杆系进行分析，计算模型如下：

平面杆系模型

分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行结构的抗弯

设计，经承载能力和裂缝宽度计算比较，由裂缝宽度来控制设计（裂缝宽度限值为0.2mm）。

（1）底板弯矩及抗弯配筋计算结果

配筋配置为跨中负弯矩处为上缘为300根φ22mm下缘为300根φ16mm钢筋@10cm；在隅处正弯矩处为上缘为300根φ22mm下缘为300根φ16mm钢筋@10cm。最大裂缝宽度0.115mm<0.2 mm，满足要求。

（2）顶板弯矩及抗弯配筋计算结果

配筋配置为顶板上缘为300根φ28mm 钢筋@10cm，下缘为300

根φ25mm钢筋@20cm。最大裂缝宽度0.158mm<0.2 mm，满足要求。

（3）侧墙弯矩及抗弯配筋计算结果

配筋配置为上下缘均为300根φ16mm钢筋@10cm。最大裂缝宽度0.131mm<0.2 mm，满足要求。

2、空间有限元计算

使用Midas Civil软件，采用板单元建立三维有限元模型，该模型设计河道与车行道斜交（斜交角34度），计算模型如下：

1）、顶板计算结果

由上图可知，顶板最大内力位置位于箱涵口端部靠近中墙处；负弯矩在端部绝对值最大，配筋根据内力情况在端部2米范围内顶板顶层钢筋设置2层钢筋。

顶板最大正弯矩Mxx=203.6 KN.M，轴力N=-871.1KN，顶板底层配φ28钢筋@10cm，计算裂缝为0.174mm<0.2 mm，满足要求。

箱涵端部2米范围内顶板最大负弯矩Mxx=-813KN.M，轴力

N=-835.4KN，顶板顶层第一层配φ28钢筋@10cm，第二层配φ22钢筋@10cm，计算裂缝为0.166mm<0.2 mm，满足要求。

在箱涵端部2米以内则配一层φ28钢筋@10cm，根据最大负弯矩情况，最大裂缝为0.166 mm<0.2 mm，满足要求。

顶板横向最大正弯矩Myy=58KN.M，轴力N=842KN，（自定义坐标系，区别于单元坐标系）配φ12钢筋即可。

顶板最大内力位置位于箱涵口端部靠近中墙处，沿着横向递减，且内力值递减幅度较大，范围也越趋近于中墙，所以虽然最大裂缝为0.17、0.166，但随着横向内力分布趋势，顶板裂缝计算宽度递减程度较大，完全能满足规范要求。

2）、底板计算结果

底板最大正弯矩Mxx=106.7 KN.M，轴力N=-95.7KN，底板底层配φ22钢筋@10cm，计算裂缝为0.09mm<0.2 mm，满足要求。

底板最大负弯矩Mxx=-192KN.M，轴力N=-93.9KN，底板底层配φ22钢筋@10cm，计算裂缝为0.152mm<0.2 mm，满足要求。

3）、侧墙计算结果

侧墙最大负弯矩Mxx=-270.3KN.M，轴力N=-190.2KN，侧墙顶层配φ28钢筋@10cm，计算裂缝为0.136mm<0.2 mm，满足要求。

3）、中墙计算结果

中墙最大内力位置位于箱涵口端部靠近顶板处，从顶板向下内力变化幅度很大，而最大值位置为顶板中墙角隅处。

中墙最大正弯矩Mxx=244.8 KN.M，轴力N=873.5KN，下层配φ22钢筋@15cm，计算裂缝为0.133mm<0.2 mm，满足要求。

中墙最大负弯矩Mxx=-232.6KN.M，轴力N=873.5KN，上层配φ22钢筋@15cm，计算裂缝为0.124mm<0.2 mm，满足要求。

中墙最大负轴力Mxx=-64.5KN.M，轴力N=-432.9KN，上层配φ22钢筋@15cm，计算裂缝为0.171mm＜0.2 mm，满足要求。