某市政现浇宽箱梁桥单梁法与梁格法计算分析对比--中国期刊网

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某市政现浇宽箱梁桥单梁法与梁格法计算分析对比

发表时间：2020/12/18 来源：《基层建设》2020年第24期作者：许江杰

[导读] 摘要：文章以某市政现浇宽箱梁桥为实例，对上部梁体运用Midas Civil软件分别采用单梁法和梁格法进行建模计算。

        中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安 710075
        摘要：文章以某市政现浇宽箱梁桥为实例，对上部梁体运用Midas Civil软件分别采用单梁法和梁格法进行建模计算。通过两种方法的计算结果对比分析，单梁法较梁格法结果误差较大。对此类桥梁格法结果比较符合结构实际受力，工程设计时应采用梁格法进行计算。
        关键词：现浇箱梁；宽桥；单梁法；梁格法
        前言
        近年来，随着国家城镇化进程的加速，城市在不断扩张发展，城市道路基础设施的建设越来越多，市政桥梁的发展也在加速。对于一般的公路梁式桥，野外制约条件较少，往往较多的采用标准跨径的分片式预制梁桥，整体式现浇箱梁桥较少。而市政桥梁，由于桥下受市政各类设施环境的影响较大，同时城市环境对主梁外观有一定要求，当桥梁跨河时，桥梁布跨受河道景观的影响也较大，往往很难采用标准跨径的预制梁桥方案，更多的采用整体式现浇箱梁桥方案。整体式现浇箱梁由于其跨径布设灵活、箱梁断面形式多样，比如鱼腹式截面，可以较好的适应桥下各类设施的限制和城市环境对桥梁外观的要求。相对于公路桥梁，市政桥梁的桥梁宽度往往一般比较宽，除了车道数较多外，还要在车行道外侧设置非机动车道和人行道。公路上的整体式现浇箱梁桥，由于往往桥宽较窄，采用单梁模型计算可满足工程精度要求，而市政整体式现浇箱梁桥，由于其桥宽往往较大，宽跨比大，空间效应明显，有必要采用空间分析方法进行模拟计算。
        梁格法的基本原理是当实际结构和对应的等效梁格承受相同的荷载时，二者的挠曲是相同的，且每一梁格的内力都等于该梁格所对应的原实际结构的内力。在建模计算时，通过虚拟横梁，将活荷载通过横梁按其刚度分配到各纵向主梁上。梁格法是分析上部结构比较方便的空间分析方法，相比三维实体单元法，不仅满足工程精度要求，而且在软件建模助手的帮助下计算工作量少，广泛应用于实际工程当中。
        单梁法虽然计算建模简单，但无法得出梁截面横向的内力分布，在宽箱梁桥分析时，有较大的局限性，工程误差大。
        结合上述分析，文章以某市政现浇宽箱梁桥为例，通过Midas Civil对该桥采用梁格法和单梁法进行计算分析对比，通过分析对比两种计算结果的差异，以体现梁格法的优点。
        1 计算模型
        某市政桥方案为3×45m跨整体式现浇箱梁桥，桥梁宽度为30m，双向6车道，两侧各3m宽人行道。主梁采用单箱七室，梁高2.4m。其跨中截面如下图，顶板25cm厚，底板22cm厚，腹板40cm厚。墩顶处腹板厚70cm，顶底板厚50cm。荷载等级：车辆采用城-A级，人群荷载取3.5KPa，每个墩位处横向设置5个支座。主梁混凝土采用C55，钢束采用低松弛预应力钢绞线。桥面铺装采用10cm厚沥青混凝土。

                        图1 箱梁跨中截面（单位：cm）
        1.1 单梁法模型

                                 图2 单梁法模型简图

                           图3 梁格法截面分割
        主梁总长134.84m，结合各墩顶横梁宽度、腹板过渡段长度对主梁进行单元划分，共划分132个单元。单元节点位于梁顶。在每个墩台位置处横向设置5个支座，通过主从约束将横向各个支座处对应的节点与主梁节点连接，再通过节点弹性连接模拟各个支座。添加自重、二期、预应力、温度等各种荷载后，设置移动荷载、收缩徐变、沉降、施工阶段等工况，再根据规范进行荷载组合，最后运行计算，得出各个主梁节点的内力。
        1.2梁格法模型

                               图4 梁格法模型简图
        采用迈达斯梁格法建模助手进行梁格划分，主梁横向分为8片纵梁，结合墩顶横梁宽度、腹板过渡段长度等将每片纵梁划分为81个单元。除支点横梁处采用实际横梁尺寸和重量外，其余段虚拟横梁由实际顶、底板组成的横向二字型0重量的梁，宽度取相邻两个纵梁单元长度之和的一半，虚拟横梁共计578个单元。支点横梁在支座位置处增设节点，通过节点弹性连接模拟各个支座。添加自重、二期、预应力、温度等各种荷载后，设置移动荷载、收缩徐变、沉降、施工阶段等工况，再根据规范进行荷载组合，最后运行计算，得出每片纵梁节点的内力。添加车辆和人群活荷载时，应将荷载添加在虚拟横梁单元上，荷载通过虚拟横梁刚度分配给各个纵梁。
        梁格法由于其将整体式箱梁根据其腹板个数拆分为若干片纵梁，拆分后的纵梁某些特点发生了变化。为了使梁格法模型其受力情况和计算特点与整体式箱梁一致，梁格法在建模时还应注意以下几个事项：
        1、梁格划分时有两种方法，基于腹板划分和基于顶底板划分的方法。不管采用哪种方法，每片纵梁的中性轴都应与原整体式箱梁截面中性轴一致，该模型计算采用基于顶底板划分。基于腹板划分往往需要通过强制移轴来使得纵梁的中性轴与原整体式箱梁截面中性轴一致。
        2、由于纵向悬臂处有人行道、栏杆等荷载，为了方便这些荷载在其实际位置处加载，应在1#、8#号纵梁悬臂端头处建立虚拟边纵梁，同时除了建立8片纵梁之间的虚拟横梁外还应建立连接虚拟边纵梁的虚拟悬臂横梁。
        3、在直桥截面内力分析时应采用二维+扭矩的模式。因为整体式箱梁截面横向对称，且所有钢束在横向上也是完全对称布置，所以钢束不会引起主梁的横向内力。而划分梁格后，每片纵梁横向不对称，中性轴不在腹板中心处，且跨中段、腹板过渡段、墩顶段纵梁横向中性轴并不是一条直线，设置在腹板中心处的钢束，势必会对各纵梁产生横向的弯矩，在截面计算时，导致应力错误。故采用二维+扭矩的模式剔除钢束产生的横向内力。
        2.计算结果比较与分析
        2.1反力结果比较
        2.2弯矩结果比较
                                                                      表1 标准组合下反力（KN)

        注：由对称性，仅列出一半桥长计算结果
                                                                            表2 承载能力组合下弯矩（KN•m)

        注：由对称性，仅列出半幅桥计算结果
        2.3应力结果比较
                                                          表3 正常使用短期效应组合下正应力（MPa）

        注：由对称性，仅列出半幅桥计算结果
        2.4两种方法计算结果对比分析
        支座反力中每个墩台处梁格法和单梁法的两个边支座反力基本一致，但中间3个支座，梁格法均比单梁法大21.9%～39.6%。由于单梁法无法模拟支点处横梁横向分配刚度，导致各支座反力误差较大。而梁格法支点处横梁采用实际尺寸模拟，支点横梁对荷载的横向分配比较符合实际情况。
        弯矩结果中梁格法和单梁法在2个墩顶处负弯矩值基本一致，在3个跨中处相差较大，达7.1%～13.7%。由于虚拟横梁和支点横梁的模拟，使活荷载在横向分配时能够根据实际刚度分配给各纵梁，在边纵梁处弯矩最不利，而这在单梁法中是无法实现的，单梁法只能得出每个截面的整体弯矩。
        应力结果中梁格法的中间几个纵梁应力结果大致相同，边纵梁与中间几个纵梁应力结果相差较大，边纵梁最不利，体现出了箱梁应力在横桥向的不均匀分布。与弯矩结果对比，梁格法各纵梁应力情况与弯矩情况一致，均为边纵梁最不利。梁格法应力分布较为合理，符合实际情况。而单梁法为整体性截面，横向应力按均匀分布考虑，计算结果与梁格法最不利结果相差较大，应力误差最大达1.23MPa。
        3.结束语
        从上述3方面结果对比来看，单梁法计算结果相比梁格法误差较大，尤其对于边梁，其结果偏不安全，且对于横向多支座时支反力结果偏不安全。结合此工程实例可以看出，在实际工程设计中，对于宽跨比较大的现浇箱梁桥，应采用梁格法进行计算。
        参考文献
        [1][美]汉勃利EC.桥梁上部构造性能[M].郭文辉，译.北京：人民交通出版社，1982
        [2]CJJ 11-2011 城市桥梁设计规范[S]
        [3]JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范[S]
        作者简介
        许江杰（1987—），男，本科，工程师，多年从事道路桥梁设计。