扁平流线型混凝土箱梁横向计算与分析

- 2. 85
- 2. 04
- 0. 45
- 0. 31
- 0. 17
- 0. 05
- 3. 07
- 2. 39
30 cm 厚横隔板时 斜腹板 外侧直腹板
- 2. 85
- 2. 09
- 0. 45
- 0. 31
- 0. 17
- 0. 05
- 3. 06
- 2. 40
40 cm 厚横隔板时 斜腹板 外侧直腹板
扁平流线型混凝土箱梁横向计算与分析 张忠良
33
扁平流线型混凝土箱梁横向计算与分析
张忠良 (中国市政工程西北设计研究院有限公司武汉分院 ,湖北 武汉 430056)
摘 要 : 结合厦门仙岳路高架桥工程 ,采用平面杆系程序和空间有限元分析程序 ,对扁平流线型箱梁的横向受
力模式 、跨中横隔板对箱梁的整体性的影响和腹板剪力分配规律进行研究 。
针对箱梁跨中不设横隔板和设置 20 cm 厚横隔 板的情况 ,分别计算了各腹板在不同荷载作用下所 承担的剪力 (见表 3 、表 4) 。
从表 3 、表 4 中可以得出如下结果 :
4 空间有限元分析
(1) 未设跨中横隔板时 ,在悬臂板 1 000 kN 集 中力作用下 ,斜腹板 、外侧直腹板 、内侧直腹板的竖
关键词 : 箱梁 ;横向受力分析 ;有限元法
中图分类号 : U448. 213 ;U441
文献标志码 :A
文章编号 :1671 - 7767 (2009) 01 - 0033 - 03
1 工程概况 厦门仙岳路高架桥 (西段) 位于一条城市快速路
段内 ,桥梁全长 1 950 m ,分为 3 个跨线桥 ,标准跨径 35 m ,桥梁宽 25 m ,双向 6 车道 ,设计荷载为城市 A 级 。上部结构采用等高度预应力混凝土连续箱 梁 ,扁平流线型单箱五室截面 ,梁高 2. 0 m ,顶 、底板 厚 25 cm ,腹板厚 40 cm (见图 1) ,除在中 、边支点处 分别设置厚 2. 0 m 、1. 2 m 横梁外 ,在每跨跨中均设 置了厚 20 cm 的横隔板 ,按纵 、横双向预应力构件设 计 。为保证箱梁结构设计的安全性 、合理性 ,对箱梁 进行了平面受力分析和空间有限元分析的对比研究 。
对一联 3 ×35 m 标准箱梁进行了空间有限元分析 。 向剪力分配比例分别为 25. 86 %、41. 72 %、32. 42 %。
4. 1 计算模型
(3) 跨中设置横隔板不能明显改善腹板之间剪
利用对称性横向取半桥建立空间计算模型 (见 力的分配比例 。
图 5 、图6) ,节点总数3 165个 ,梁体采用8节点或6 4. 4 箱梁荷载分布宽度分析
34
控制加载 ,各加载工况示意见图 4) ,计算出的各控 制截面内力见表 1 。
世界桥梁 2009 年第 1 期
节点 Solid 单元 ,横隔板采用 Plate 单元 ,单元总数 1 845个 。荷载考虑自重 、桥面铺装 、防撞护栏和跨 中距悬臂端 1 m 的 1 000 kN 集中力 。
图 5 空间有限元计算模型
45. 54
105. 1
27. 14
合计/ kN
1 850. 4 284. 6 69. 2 387. 2
荷载
自重 桥面铺装 防撞护栏 1 000 kN 集中力
表 4 设置 20 cm 厚跨中横隔板时各腹板剪力计算结果
斜腹板
竖向剪力/ kN
比例/ %
75. 9
4. 13
8. 5
3. 06
3. 6
析 ,得到如下一些结论 : (1) 箱梁斜腹板对桥面板的支承作用随倾斜度
的增大而减弱 ,并使桥面板产生较大的轴向拉力 ,由 纯弯构件变成拉弯构件 。
(2) 箱梁悬臂板和边室桥面板在集中荷载作用 下的顺桥向分布宽度与一般箱梁不同 ,随斜腹板倾 斜度的加大而增大 。
(3) 跨中设置横隔板能提高箱梁的整体性 ,但 效果不是特别明显 ,且横隔板的厚度对其影响较小 。
位移 (见表 2) 。
从表 2 可以得出如下结果 :
图 4 各控制截面加载工况示意
(1) 设置跨中横隔板有助于提高箱梁的整体
表 1 各控制截面内力计算结果
性 ,在结构自重作用下减小斜腹板的竖向位移约
部位 N/ kN
悬臂板根部
13. 3
边室顶板中部 - 113. 6
边室顶板根部 - 107. 4
中室顶板中部 - 105. 5
外侧直腹板
竖向剪力/ kN
比例/ %
内侧直腹板
竖向剪力/ kN
比例/ %
103. 2
5. 58
784. 9
42. 42
962. 3
52. 00
13. 8
4. 85
124. 7
43. 82
146. 1
51. 33
2. 9
4. 19
39. 9
57. 66
26. 4
38. 15
105. 8
27. 32
176. 3
5. 20
97. 4
25. 86
外侧直腹板
竖向剪力/ kN
比例/ %
751. 8
40. 90
117. 5
42. 23
35. 3
51. 07
157. 2
41. 72
内侧直腹板
竖向剪力/ kN
比例/ %
1 010. 5
54. 97
152. 2
54. 72
30. 3
43. 73
122. 1
32. 42
合计/ kN
中室顶板根部 - 91. 0
边室斜腹板中部 248. 7
Nmax时 Q/ kN M/ kN ·m N/ kN - 67. 2 - 105. 5 8. 9
- 16. 8 - 12. 5 - 232. 4
- 48. 7 - 56. 1 - 211. 0
22. 0
23. 9 - 2Biblioteka Baidu9. 2
- 137. 5 - 75. 4 - 266. 3
表 2 不同荷载作用下内 、外侧腹板的竖向位移
荷载
自重 桥面铺装 防撞护栏 1 000 kN 集中力
0. 01 cm 厚横隔板时 斜腹板 外侧直腹板
- 3. 15
- 1. 63
- 0. 51
- 0. 24
- 0. 21
- 0. 01
- 3. 23
- 2. 21
20 cm 厚横隔板时 斜腹板 外侧直腹板
考虑箱梁横向较宽 ,且斜腹板倾斜度较大 ,为分 向剪力分配比例分别为 27. 32 %、45. 53 %、27. 14 %。
析跨中横隔板板厚对扁平流线型箱梁整体变形的影
(2) 设置跨中横隔板时 ,在悬臂板 1 000 kN 集
响 、各腹板剪力的分配规律及桥面板荷载分布宽度 , 中力作用下 ,斜腹板 、外侧直腹板 、内侧直腹板的竖
9. 60 3. 40 3. 28 1. 63
按规范计算的 分布宽度/ m
5. 05 2. 27 2. 90 0. 70
比例/ %
52. 6 66. 8 88. 4 42. 9
由表 5 中计算结果可知 ,因斜腹板倾斜度的影 响 ,箱梁桥面板在集中荷载作用下的顺桥向实际分 布宽度比按规范计算的值要大 。
图 3 1/ 2 箱梁桥面板荷载分布宽度
图 6 支点处 1/ 2 箱梁横截面模型
4. 2 跨中横隔板板厚对扁平流线型箱梁整体变形
的影响
针对在箱梁跨中设置 0. 01 cm (相当于无横隔
板) 、20 cm 、30 cm 、40 cm 厚横隔板的情况 ,分别计
算了斜腹板 、外侧直腹板在不同荷载作用下的竖向
箱梁横向框架计算采用专用平面杆系计算程 序 ,顺桥向取 1 m 梁段进行 ,荷载考虑自重 、桥面铺 装 、防撞护栏 、声屏障 、温度 (包含日照和寒潮 2 种模 式) 及车辆轮载 。图 2 为横向框架计算简图 。 3. 2 荷载分布宽度
按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范》[1] 可计算出箱梁桥面板在集中荷载作用下 的荷载分布宽度 (见图 3) ,但根据空间有限元分析 结果 (详见后述) ,由于斜腹板的支承作用较小 ,该斜 腹板的竖向刚度很小 ,整个边室以横向受弯为主 ,悬 臂板和边室段桥面板在集中力作用下荷载分布宽度 约为常规箱梁的 60 % ,中室桥面板的荷载分布宽度 由于边室的约束与常规箱梁相同 。 3. 3 计算结果
Z HAN G Zhon g2lia n g
( Wuhan Branch , No rt hwest Design and Research Instit ute Co . , L td. , of China Municipal Engineering , Wuhan 430056 , China)
(4) 跨中设置横隔板对腹板剪力分配比例的改 善较小 。
参 考 文 献 :
5 结 论 本文通过对扁平流线型箱梁的平面和空间分
[ 1 ] J T G D62 - 2004 ,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范[ S] .
Calculation and Analysis of Lateral Frame of Streamlined Flat Concrete Box Girder
图 1 1/ 2 箱梁横截面
2 扁平流线型箱梁横向受力特点 由于本桥箱梁横向较宽 ,宽高比较大 (达12. 5 ∶
1) ,采用扁平流线型截面后 ,外腹板成圆弧形 ,近似 斜率约为 1 ∶1. 5 ,不同于普通箱梁的直腹板或斜率 较小 (一般大于 2 ∶1) 的斜腹板 ,其结构受力特点为 : ①外腹板倾斜太大后 ,特别是采用圆弧形时 ,其受力 模式由单纯的竖向支承型腹板变成了腹板 - 底板组 合结构 ,并与顶板一起形成三角形桁架参与受力。
Abstract : Wit h reference to t he Xianyue Road Viaduct in Xiamen Cit y , t his paper makes a st udy of t he lateral load2bearing mode of st reamlined flat co ncrete bo x girder , t he influence of midspan diap hragm o n t he integrit y of t he girder and t he shear fo rce dist ributio n law of webs of t he t he girder , using bot h t he plane link p rogram and spatial finite element analysis p rogram.
- 2. 86
- 2. 12
- 0. 45
- 0. 31
- 0. 16
- 0. 06
- 3. 06
- 2. 40
扁平流线型混凝土箱梁横向计算与分析 张忠良
35
荷载
自重 桥面铺装 防撞护栏 1 000 kN 集中力
表 3 未设跨中横隔板时各腹板剪力计算结果
斜腹板
竖向剪力/ kN
比例/ %
1 838. 2 278. 2 69. 2 376. 7
在空间有限元模型的基础上 ,通过作用单位集
中力求出各部位的荷载分布宽度 ,与按规范计算出
的荷载分布宽度进行比较 (见表 5) 。
表 5 荷载分布宽度分析结果
部位
悬臂板根部 边室中部 中室中部 外侧直腹板根部
按空间分析的 分布宽度/ m
②箱梁悬臂板弯矩通过斜腹板和顶板相交处的刚性 节点后 ,使顶板产生较大的拉力 ,斜腹板承受较大的 压力 。 ③斜腹板因斜度较大 ,承担竖向剪力的比例 大大降低 。 ④由于斜腹板倾斜度较大 ,其支承作用 减弱 ,箱梁悬臂板和边室桥面板在荷载作用下的分 布宽度比一般箱梁大 。
3 横向框架计算 3. 1 计算模型
- 23. 4
32. 6 123. 7
Nmin时 Q/ kN M/ kN ·m - 44. 8 - 64. 7 - 24. 8 18. 5 - 116. 4 - 119. 4 24. 7 - 4. 8 - 42. 4 - 5. 1 - 8. 4 20. 2
注 :轴力 N 前的“ - ”表示为拉力 ; N max 、N min分别表示各计算截
面的最大 、最小轴力 。
从表 1 可看出 ,顶板出现较大拉力 ,设计中沿纵
向每米长度内布置 2 根 <s 15. 2 钢绞线 ,间距 50 cm 。
9. 5 % ,在跨中距悬臂端 1 000 kN 集中力作用下减 小斜腹板的竖向位移约 5 %。
(2) 跨中横隔板厚度在 20～40 cm 范围时 ,对 箱梁整体性影响的差别很小 ,故在满足构造需要的 前提下 ,为减少结构自重应尽量采用下限 。 4. 3 箱梁截面各腹板剪力的分配规律
根据荷载分布宽度换算出车辆轮载的单位宽度 作用力 ,按照影响线加载原则 ,对控制截面分 3 种工 况进行最不利加载 (工况 1 为悬臂板根部控制加载 , 工 况2为边室右支点控制加载 ,工况3为中室中部
图 2 横向框架计算简图
收稿日期 :2008 - 06 - 18 作者简介 :张忠良 (1969 - ) ,男 ,高级工程师 ,1992 年毕业于兰州铁道学院桥梁工程专业 ,工学学士 ( E2mail : swbridge @vip . sina. co m) 。