等截面混凝土连续箱梁设计要点

等截面混凝土连续箱梁设计要点探讨

摘要：通过理论分析计算、荷载试验，分析验证目前等截面混凝土连续箱梁设计中采用的偏载系数法的合理性，并给出偏载系数的简化计算公式，以期对今后等截面箱梁的设计提供一定帮助。

关键词：等截面混凝土连续箱梁；荷载试验；偏载系数；简化计算

中图分类号：tv331文献标识码：a文章编号：

箱形截面抗扭刚度大，整体性好，结构稳定，而且外形美观，能够适应各类曲线桥梁，便于采用现代化的施工工艺，因而在现代的桥梁建设中得到了广泛的应用。箱梁在偏心荷载作用下，靠近荷载一侧的腹板的正应力和剪应力都将增大。为了考虑这种效应，在箱梁设计的简化计算中，通常采用偏载系数来考虑偏载作用下，箱梁各腹板受力不均的问题。

1.偏载系数的简化计算方法

1.1增大系数法

目前箱梁设计中采用最普遍的即为增大系数法。这一方法的主导思想，来自杆件弯扭相互独立的理论。即杆件的中心荷载由梁的弯曲内力承担，扭转荷载由杆件的自由扭转与约束扭转内力承担。由于约束扭转翘曲产生的正应力一般为桥梁活载产生的弯曲正应力的15%，故计算正应力时，箱梁的正应力偏载系数取为：

k1=1+15%=1.15

对于箱梁截面的剪应力，由于翘曲扭转剪应力约占活载剪应力的5%，故箱梁的剪应力偏载系数取为：

k2=1+5%=1.05

1.2考虑抗扭修正的偏心压力法

偏心压力法，假定横梁刚性，主梁在偏载作用下，发生下挠及扭转，是计算t梁等多主梁截面各梁横向分布系数的常用方法。用来计算箱梁时，将箱梁的腹板看作是开口截面的梁肋，算出边肋的横向分布系数m，然后乘以总肋数（即腹板数），再除以计横向分布系数对应的车列数n，即得到偏载系数k3。因箱梁属于闭口截面，其抗扭刚度远大于t梁等开口截面。故在横向分布系数m的计算过程中，必须考虑抗扭修正。

（1）

k3 = nm/n

（2）

式中：n为箱梁的梁肋数；a1为边肋至箱梁中心的距离；ai为箱梁各肋至箱梁中心的距离；e为活载合力点至箱梁中心线的距离；n 为活载车列数；β为抗扭修正系数。

对于混凝土连续箱梁，β取决于桥梁跨度、约束条件（支座布置）、截面形式、几何尺寸及材料特性，其计算公式为（只考虑自由扭转）：（3）

式中：c为将连续梁等效为简支梁的刚度修正系数；e为混凝土弹性模量；l弯为结构跨径（抗弯）；θ为活载在计算截面处产生的

扭转角，其计算公式为：

（4）

式中：g为混凝土剪切模量，it为箱形截面整体的抗扭惯矩，l 扭为结构跨径（抗扭）；x为计算截面至抗扭支座的距离。

2.空间有限元模型验证

以下通过一个实桥的荷载试验结果的分析，验证以上两种偏载系数计算方法的合理性。

2.1工程概况

试验桥梁为跨径布置3×20m的等截面钢筋混凝土连续箱梁，桥宽10.5m。桥梁下部结构桥台采用肋板台，1号桥墩采用独柱墩，2号桥墩采用双柱墩，墩台采用桩基础。箱梁横截面构造尺寸见图1，全桥边界条件见图2.

图1 箱梁横截面（单位：cm）

图2 箱梁边界条件及参数示意（单位：cm）

2.2荷载试验

荷载试验的设计符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》（jtg/t j21-2011）的相关规定。

本次荷载试验采用4辆重量约35吨的重车进行加载，各加载车轴重情况参见表1。

加载车轴重表表1

作者认为荷载试验的挠度测试较应变测试更为准确，其结果更能

准确反映结构的真实受力状态。故本文只采取荷载试验的挠度测试结果进行分析。荷载试验工况为测试在最不利偏载作用下桥梁第1跨跨中截面的最大挠度，即图2所示“计算截面”。

试验荷载平面布置及测试截面挠度测点布置分别见图3、图4。图3 试验荷载平面布置（单位：cm）

图4 测试截面挠度测点布置

本次荷载试验的加载效率为0.96，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》的要求，故本次试验有效。测试截面的挠度测试结果见表2。

测试截面挠度测量结果表（单位：mm）表2

由上表测试数据可知，测试截面挠度卸载残余较小，符合规范要求，结构处于弹性工作状态；挠度校验系数为0.877，介于0.5～0.9之间，属正常范围。

2.3偏载系数

通过增大系数法、修正偏心压力法及荷载试验得到的结构偏载系数见表3。

偏载系数计算汇总表表3

3.结论

通过以上计算及荷载试验结果，可以得到如下几点结论：

3.1目前等截面混凝土连续箱梁设计中普遍采用的增大系数法，所用的弯矩偏载系数k1=1.15偏小，较荷载试验结果差-5.7%，且其计算结果偏于不安全，在设计过程中应给予足够重视，充分考虑。

3.2修正偏心压力法计算得到的偏载系数较荷载试验结果相差仅-1.7%，计算精度相对较高，对于实际应用具有一定指导意义。

3.3从考虑抗扭修正偏心压力法的计算公式中可以看出，约束条件对计算结果也有影响。目前建造的混凝土现浇箱梁桥中，独柱墩普遍使用，这就造成结构的抗弯计算跨径l弯和抗扭计算跨径l扭可能不同（如本文荷载试验桥）。

当抗弯计算跨径l弯和抗扭计算跨径l扭相同时，抗扭修正系数β的计算公式可简化为：

上式中l=l扭=l弯为计算跨径，其他参数含义同式（3）、式（4）。本例中，当不考虑约束条件，取l扭=l弯=20m时，偏载系数结算结果为1.14；较考虑约束条件，取l扭= 40m，l弯=20m时的计算结果1.19差-4.3%，且计算结果偏于不安全。这点应在修正压力法的应用中予以充分考虑。

参考文献：

[1] 范立础桥梁工程人民交通出版社 2012.

[2] 胡肇滋桥跨结构简化分析-荷载横向分布人民交通出版社1996.

[3] 贺栓海谢仁物公路桥梁荷载横向分布计算方法人民交通