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      梁格法在單箱多室箱梁橋結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

      2012-10-27 09:30:38胡朝輝王愛云
      四川建筑 2012年1期
      關(guān)鍵詞:梁格格法橫梁

      胡朝輝,王愛云

      (1.廣州誠安路橋檢測有限公司,廣東廣州510006;2.廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院,廣東廣州510540)

      單箱多室箱梁具有整體性能好、抗扭剛度大、彎曲應(yīng)力圖形合理、剪應(yīng)力小[1]等優(yōu)良的截面特性,且能方便地適應(yīng)線路的寬度變化,在橋梁結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。此類橋梁一般寬跨比數(shù)值較大,空間受力的特性較為突出,采用傳統(tǒng)的平面桿系單梁法計算,有可能產(chǎn)生較大誤差。梁格法是一種空間計算的近似方法,其核心思想是利用等效的縱、橫梁格代替橋梁上部結(jié)構(gòu),將分散在板、梁每一區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)。梁格法可直接輸出各主梁的內(nèi)力,便于進行結(jié)構(gòu)的分析驗算,因而比板殼與實體單元具有更強的直觀性和適用性,但梁格法的精度很大程度上取決于梁格單元的劃分,目前對梁格單元的剛度取舍仍然是較為棘手的問題。本文以一座單箱多室寬箱梁橋的結(jié)構(gòu)分析為例,結(jié)合現(xiàn)場荷載試驗數(shù)據(jù),對梁格法的特點及梁格剛度的取舍作出探討與驗證。

      1 工程概況

      廣州市某主線高架橋位于廣州市新光快速路的赤崗路段。橋梁分左右兩幅,橫向為1 m寬后澆帶聯(lián)結(jié),其中一聯(lián)橋跨徑組成為(30.0+45.0+30.0)m,橋面寬22.6 m,單向5車道,上部結(jié)構(gòu)采用變截面現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,橫斷面為單箱四室。梁高為2.0~2.5 m,頂板厚度為0.22 m,底板厚度為0.22~0.35 m,邊腹板厚度為0.45~0.65 m,中間腹板厚度為0.35~0.55 m,各跨墩頂和跨中設(shè)置橫梁,箱梁混凝土為C50,設(shè)計荷載等級為城-A級。

      2 模型建立及結(jié)果分析

      2.1 有限元模型

      采用梁格法對該橋進行有限元分析,建模時進行如下處理。

      (1)縱梁:將箱梁劃分為5片縱向梁格,忽略由于截面分割帶來的形心位置與腹板中線的偏差。5片縱梁的位置分別對應(yīng)箱梁腹板中線,為了保證計算精度,縱向梁格劃分不宜過于稀疏,但過密亦會加大計算量,且對精度的提高已不明顯。這里縱向梁格取1 m,橫向梁格間距亦為1 m,各縱梁截面中和軸與整體截面中和軸應(yīng)保持一致。

      (2)橫梁:橫梁分為剛性梁與虛擬梁。虛擬梁可采用工字形梁,頂?shù)装宸謩e取箱梁上下翼板厚度,腹板厚度取極小的值,以達到對橫向聯(lián)系梁的模擬。對于跨中及墩頂部位的橫隔板,則采用剛性橫梁模擬。依據(jù)梁格理論,箱梁經(jīng)劃分成為梁格之后,截面形狀由閉口到開口,其扭轉(zhuǎn)剛度差異很大,因此需調(diào)整縱橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度,縱梁及虛擬橫梁每單位寬度的扭轉(zhuǎn)常數(shù)可按下式計算[2]:

      式中:d'、d″、h分別為頂、底板的厚度和梁高,縱向梁格的剪切面積則取腹板的橫截面積。

      (3)橋面鋪裝:大量的荷載試驗表明橋面鋪裝不同程度地參與了主梁的結(jié)構(gòu)受力,為考慮其對箱梁整體剛度的影響,可在梁格模型上建立輔助的板單元,板厚的選取則需考慮橋面鋪裝與箱梁材質(zhì)、邊界及聯(lián)結(jié)強度的異同,也可將箱梁頂板適當(dāng)加厚,但會因箱梁截面中性軸整體上移而帶來誤差。

      此外還需在箱梁兩端翼緣處設(shè)置縱向虛擬梁格,此舉是為了準(zhǔn)確計算自振周期和分配荷載。箱梁的縱向梁格劃分見圖1所示,采用MIDAS/CIVIL與ANSYS軟件分別建立該橋的梁格模型與實體模型,并進行設(shè)計活載及試驗荷載內(nèi)力、試驗荷載反應(yīng)和自振特性的分析計算。

      圖1 有限元模型

      2.2 試驗結(jié)果分析

      為了獲得結(jié)構(gòu)試驗荷載與變位關(guān)系的連續(xù)性和防止結(jié)構(gòu)意外損傷[3],加載方式為單次逐級遞加到最大荷載,然后一次卸到零級荷載。加載位置與加載工況確定的主要依據(jù)是盡可能用最少的加載重車滿足試驗荷載效率。靜載試驗采用4臺重約35 t的加載車,分6個工況,通過工況3、工況4、工況6,分別可使邊跨跨中正彎矩、中支點負彎矩、中跨跨中正彎矩達到加載效率。試驗過程中,量測結(jié)構(gòu)控制截面的靜力位移、應(yīng)變、裂縫等靜態(tài)參數(shù);在動載試驗中,利用地脈動、跑車、跳車等工況激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動,量測橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型等模態(tài)參數(shù)[4]。限于篇幅,這里僅列出各控制截面最大荷載工況下的撓度值,見表1所示。各工況下的縱、橫橋向撓度曲線及應(yīng)變曲線如圖2、圖3所示。

      表1 最大荷載試驗工況下各模型撓度計算值與實測值對比(單位:mm)

      圖2 最大荷載工況下縱、橫橋向撓度曲線

      圖3 最大荷載工況下邊跨、中跨跨中應(yīng)變曲線

      由上面圖表中結(jié)果可看出,各試驗工況下兩種模型的計算結(jié)果較為接近,兩者得出的中跨跨中最大撓度分別為4.5 mm和4.6 mm,其余縱向撓度測點數(shù)值相差也很小,梁格模型和實體模型的橫向分布曲線與實測值曲線較為吻合,實測撓度及應(yīng)變均小于理論值,也表明了該聯(lián)橋受力合理,具有一定的安全儲備。另外,在動測試驗中,該聯(lián)橋?qū)崪y一階固有頻率為3.17 Hz,阻尼比為0.8895% ~2.9528%,對應(yīng)梁格模型的一階固有頻率為3.05 Hz,實體模型為3.12 Hz,實測頻率較理論計算值大,說明該聯(lián)橋整體剛度較好。由此可見,本文的梁格劃分在縱橫梁剛度取值上是合理的。

      表2 梁格模型和實體模型計算頻率 (單位:Hz)

      2.3 對橫梁剛度取值的一些探討

      由橫橋向撓度及應(yīng)變曲線可知,相比梁格模型,實體單元撓度及應(yīng)變的橫向分布趨勢與實測曲線更為接近,也即對橫向聯(lián)系的模擬實體模型較梁格法精確些,因此實際建模當(dāng)中,可以考慮用實體單元的數(shù)值結(jié)果來對梁格模型的橫梁剛度進行修正,一般只需調(diào)整其剛度至其計算結(jié)果能滿足精度要求即可。另外,虛擬橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度亦有助于縱梁的抗彎承載力,忽略橫梁的抗扭剛度亦會加大計算誤差。對于此類多室箱梁的橫梁抗扭剛度,亦需看作閉口截面來考慮,因此需對模型中的虛擬橫梁抗扭剛度進行修正,可參照文獻[2]給出的計算方法。

      通過算例不難得知,在此類多室箱梁橋中運用梁格法,關(guān)鍵之處不外乎縱、橫梁抗彎、抗剪及抗扭的準(zhǔn)確模擬。對于縱梁的抗彎、抗剪、抗扭剛度在文獻[2]均有準(zhǔn)確的計算方法。然在虛擬橫梁的剛度取值上仍無規(guī)范的辦法,大部分都根據(jù)工程經(jīng)驗來取舍。特別在具有多片梁的或正交、或斜交以及斜彎的整體式或裝配式寬橋當(dāng)中(如空心板、T梁、小箱梁),更難以定奪虛擬橫梁剛度值,因此對橫梁特性取值問題,還有待作更深入的探討。

      3 結(jié)論及建議

      本文通過對某單箱多室連續(xù)寬箱梁橋的結(jié)構(gòu)分析及與現(xiàn)場荷載試驗實測數(shù)據(jù)的對比分析,得出如下主要結(jié)論:

      (1)對于多室箱梁橋梁格分析,應(yīng)據(jù)其結(jié)構(gòu)特點對縱梁和橫梁的抗彎、抗扭剛度進行修正,必要時還應(yīng)對橫梁的抗剪剛度進行修正,以保證縱橫梁的剛度與切分前等效;

      (2)箱梁橋梁格中的虛擬橫梁可取工字形截面,頂?shù)装迮c箱梁頂?shù)装逋穸?,腹板取一極小值,可以較準(zhǔn)確地模擬其橫向傳遞。必要時可據(jù)實體單元模型計算結(jié)果對其剛度進行修正,一般只需調(diào)整其剛度至其計算結(jié)果能滿足精度要求即可;

      (3)與實體單元相比,梁格模型建模方便,計算量小,后處理中能夠直接提取結(jié)構(gòu)內(nèi)力,便于進行結(jié)構(gòu)分析驗算。但對橫梁剛度的取值目前尚無規(guī)范的方法,亦即不能實現(xiàn)梁格的“完全等效”,因此就橫梁特性取值問題還有待進一步研究。

      [1](捷)V·克里斯特克.箱梁理論[M].何福照,吳德心,譯.北京:人民交通出版社,1988

      [2](英)E·C·漢勃利.橋梁上部構(gòu)造性能[M].郭文輝,譯.北京:人民交通出版社,1982

      [3]張俊平.橋梁檢測[M].北京:人民交通出版社,2002

      [4]交通部科學(xué)研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法(試行)[S]

      [5]邵旭東.橋梁工程(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2007

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