盖梁设计与计算方法的研究现状

盖梁设计与计算方法的研究现状唐杨（重庆交通大学重庆 400074）摘要：归纳了现阶段盖梁设计和计算中采用的4种方法以及近几年来在盖梁计算理论上取得的重要成果，总结出了影响盖梁内力的三个变量因子即线刚度比、盖梁梁高和桥墩跨径，同时简要叙述了盖梁非线性分析的研究成果，分析了今后盖梁的研究方向和重点。

关键词：盖梁计算模型影响规律非线性分析中国分类号：U441+4 文献标识码：A 文章编号：1673-1816(2018)03-0011-041 引 言盖梁是桥梁中承上启下的结构部件，规范中关于盖梁计算没有严格的规定。

公预规[1]规定：墩台盖梁与柱应按刚构计算。

当盖梁与柱的线刚度之比大于5时，双柱式墩台盖梁可按简支梁计算，多柱式墩台可按连续梁计算。

另外指出按简支梁计算的盖梁，其计算跨径应取lc和1.15ln两者的最小值，其中lc为支承中心之间的距离，ln为盖梁净跨径。

当盖梁作为连续梁或刚构分析时，计算跨径取支承中心之间的距离。

2 计算理论发展2.1 规范中的计算方法现在最常用的双柱式盖梁，规范[1]中针对线刚度比大于5的情况，此时盖梁的简化受力图示是双悬臂简支梁的形式，考虑恒载和活载很容易手算出盖梁各截面的内力。

当线刚度比小于5之后必须采用刚构模型计算，由于双悬臂刚构模型是一个超静定结构，多采用商业软件进行建模计算，也有学者[2]通过大量有限元试验分析，利用多元回归建立了盖梁控制截面的简化计算公式。

软件计算基本都建立杆系模型，也就是没有考虑盖梁和立柱的截面宽度。

双悬臂简支梁模型是在立柱与盖梁的相交点上设置支撑点，双悬臂刚构模型是在盖梁和立柱相交点采用刚接。

2.2 计算理论的发展目前盖梁设计多采用四种设计理论：传统盖梁计算方法、有限元平面模型计算、全桥空间有限元模型计算以及实体有限元模型。

传统计算方法目前国内采用桥梁通计算软件进行建模计算，其计算原理与传统盖梁计算方法基本一致。

赵香玲等[3]采用杠杆原理法、刚性横梁法、铰接板法计算了桥墩高粱在对称荷载和非对称荷载下的支座反力，比较了各种方法计算的优越性。

收稿日期：2017-12-14作者简介：唐杨（1992-），男，湖北五峰人，土家族，硕士，研究方向桥梁结构理论研究。

石家庄铁路职业技术学院学报 2018年第3期有限元平面模型计算目前多采用桥梁博士计算软件，其计算原理为：提取纵向车道荷载作用下的支座反力，将其等效为汽车荷载，利用桥梁博士的横向加载功能进行分析计算。

全桥空间有限元模型计算方法将上部结构及盖梁全部建出，按车道横向布载，通过较符合实际结构的模型进行盖梁分析[4]。

葛占钊[5]等对比了有限元平面模型和全桥空间有限元模型，平面有限元模型相比于全桥空间有限元模型更为简单，可以满足工程技术要求，也是偏于安全的。

随着计算机性能的逐步提高，实体模型计算将是一个趋势，对于一些特殊盖梁形式必须建立实体模型才能得到较为精确的结果[6]，但是现在多采用实体建模验证杆系模型的结论[7]。

早在2000年左右就有人提及柱式墩盖梁的计算存在一些不足之处[8]，根据规范，盖梁出现了两种受力模型，第一是双悬臂简支梁模型，第二是双悬臂刚构模型。

很多学者[9]-[10]对以上两个模型进行了对比研究。

研究发现双悬臂简支梁模型的简化思想是忽略柱对盖梁的嵌固作用，刚构模型完全考虑了柱对盖梁的完全嵌固[11]- [12]。

相同的是，两种模型均没有考虑到立柱实际宽度的影响。

优化刚架杆系模型[12]考虑立柱实际宽度的影响，在立柱范围内考虑两个支撑点，支撑点位置假定位于立柱边缘，每个支撑点立柱截面的宽度与实际立柱宽度一致，其高度按等刚度原理确定。

优化刚架杆系模型支点计算弯矩仅比刚架空间模型计算结果大27.7%，跨中计算弯矩仅大4.4%，能够满足工程需要，且有一定安全富裕。

当盖梁考虑为深受弯构件，规范[1]规定梁的计算跨径和梁高之比u，当u≤5均为深受弯构件，习惯上将u≤2的简支梁与u≤2.5的连续梁称为深梁；2＜u≤5的简支梁和2.5＜u≤5的连续梁称为短梁；的梁称为普通梁，浅梁或一般梁[13]。

在规范[1]8.2.2中盖梁设计章节明确规定：本节规定的钢筋混凝土盖梁，其跨高比l/h为2＜l/h≤5简支梁；连续梁或刚构2.5＜l/h≤5。

可见对于深梁的承载力未做明确规定，在文献[14]中详细论述了深受弯构件的破坏机理以及设计过程。

在实际设计过程中，绝大多数盖梁的计算跨径与梁高之比在3＜u≤5，按规范均属于深受弯构件，故而应按深受弯构件设计。

除了对盖梁计算模型的探讨以外，实际上采用空间全桥计算模型有时也会才生误差，这是不容易注意到的。

通常我们建立空间全桥计算模型时都将桥墩（或立柱）下部定成刚性约束，这时是不够真实的，倘若桥墩深入土地，应当根据相关地质资料，考虑基础周边土体对基础的作用，将柱底按照弹性约束计算[15]。

这也就是说，建立全桥空间模型，将柱底约束采用弹性约束是最为真实的。

现在最常见的除了双柱式盖梁外就是三柱式盖梁，对于三柱式盖梁分别按连续梁模拟，柱底刚性约束的刚架模拟和柱底弹性约束的刚架模拟。

对比分析后得到如下应该注意的结果。

第一，对三柱式桥墩盖梁随立柱高度变大，三种计算模型的误差没有继续减小，也就是说对于三柱式盖梁当线刚度比大于5是采用连续梁模型应当慎重。

第二，对于双柱式盖梁，按简支计算的跨中正弯矩恒大于按刚构计算，不能误认为对三柱式盖梁，按连续梁计算计算也恒大于刚构，若认定按连续梁模型计算的跨中正弯矩去配筋将是很危险的[16]。

另外还有研究表明盖梁在计算中不可忽略不均匀沉降的影响。

虽然温度荷载在总效应中所占比列较小，但随着结构刚度的增大而增大，在多跨和不等跨盖梁中，温度引起的效应更为显著[17]。

对于大悬臂的盖梁采用预应力混凝土结构，预应力混凝土结构的盖梁施工更加复杂，需要正确模拟施工过程，合理选择预应力束的张拉时间和张拉顺序[18]，才能保证盖梁在施工和运营状况下的安全[7]。

预应力混凝土盖梁的设计尽量避免采用直线，同时预应力钢束的布置应当满足两种模式的包络图，一是计入墩柱影响的整体模型，二是不考虑墩柱的单梁模型[19]。

随着中国国力逐步增强，为了中国能更好的融入全世界的桥梁建设过程中，也有不少学者[20]对国第3期唐杨盖梁设计与计算方法的研究现状外的设计计算理论进行了对比研究。

3 影响盖梁内力的变量因子及其影响规律通过对盖梁计算方法的深入研究，发现盖梁梁高，盖梁跨径和盖梁与柱的线刚度比都会对两种模型的计算产生很大影响。

3.1 盖梁与柱的线刚度比的影响其中以盖梁与立柱的线刚度比研究的最多，在很多文献[21]- [24]中，已经得到了很多一致的结果。

第一，随着盖梁与柱线刚度比的增大，跨中正弯矩逐渐增大，柱顶负弯矩逐渐减少，剪力没有很大变化。

第二，柱的高度越大，柱对盖梁的的嵌固作用就越小，采用双悬臂简支梁模型更接近真实的受力状态。

第三，盖梁与柱的线刚度比越大，双悬臂刚架模型的计算结果与双悬臂简支模型计算结果越接近，但是一般情况下线刚度比达不到那么大，这时采用双悬臂简支模型计算会造成跨中弯矩过大而支点处弯矩过小，也就是说按照规范计算号很容易造成支点偏于危险。

3.2 盖梁高度与跨度的影响近年来，盖梁跨度和盖梁高度对内力的影响也作出了研究成果。

文献[25]中，通过Midas建模，柱与盖梁之间采用刚性连接，取不同的梁高值，在这些梁高值不变的基础上，改变立柱之间的间距，通过比较得到以下结果。

第一，在立柱间距不变得情况下，改变盖梁的高度，对跨中的弯矩影响不大，对支点的弯矩影响也很小。

第二，在盖梁高度不变的情况下，改变立柱的间距，会对跨中弯矩和支点弯矩产生很大的影响，其中盖梁跨中弯矩随桥墩间距的增大而增大，支点弯矩反之。

4 盖梁的非线性分析盖梁的一般设计方法都是在弹性范围内，随着非线性有限元的发展，工程技术人员也越来越关心盖梁的极限承载能力[26]。

同时由于中国桥梁已经逐步走向老龄化，很多盖梁的墩柱顶部截面都出现裂缝[27]- [29]，而盖梁的裂缝展开机理研究必须考虑材料的非线性，有时还要考虑接触的非线性。

国内整体浇筑式的盖梁已经有很多的研究，对于预制盖梁的研究相对较少。

现在随着城市轨道交通的发展，优于轨道交通需要快速施工投入运营以减少对地面交通的影响，预制盖梁将是实现快速施工的有效解决办法。

墩柱与盖梁连接部位是一个复杂的接触非线性问题，朱卿君[30]研究了预制盖梁接口连接部位的力学行为。

北京科技大学的杜青[31]等利用Adina非线性有限元，并结合试验研究了基桩沉降导致的盖梁裂缝扩展机理。

吴选涛等[32]运用Ansys分析了曲线梁挡块裂缝产生的原因，推导了挡块在汽车离心力作用下的受力公式。

武立新等[33]研究了钢筋混凝土T形桥墩盖梁的开裂机理，根据检测试验和有限元分析表明，开裂多是由于结构内部的拉应力超过了混凝土抗拉强度，属于结构裂缝。

5 结论总体上讲，对于一般形式的盖梁，弹性范围内的设计与计算理论已经较为成熟。

现在由于中国桥梁的老龄化，旧桥的加固会逐渐成为热门问题，然而对于盖梁的加固，必然涉及一些非线性的裂缝分析与极限承载能力分析，同时随着计算理论与计算软件的成熟，以后的盖梁设计也会越来越多的考虑裂缝开裂和极限承载能力问题。

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