一座典型无梁板桥的结构分析

梁传波 薛爱华

1 概述

无梁板桥是用桩柱式下部构造直接支承连续板式的上部构造,桩柱顶上没有盖梁,因而称为无梁板桥。此种结构在房屋建筑上常有使用,如无梁楼盖。由于房屋建筑以静载为主,计算较方便。对于桥梁,由于活载计算相对复杂,因而过去较少采用。

随着桥梁计算软件的普及应用,结构计算手段更加先进,加之高程、环境及地形的特殊要求,无梁板桥逐渐为设计人员所采用。对于十分复杂的桥位条件和桥梁平面形状,无梁板桥成为中小跨径桥梁中较为经济合理的桥型之一。

现在常用的桥梁有限元分析计算软件有SAP5、桥梁博士、MIDAS等,为设计工作带来了极大便利。

2 无梁板桥有限元分析

早期利用SAP5计算无梁板桥常用如下几种方法:

1)两步计算法:最初设计计算无梁板桥时常用这种方法。先将整个无梁板桥视为一个刚构,计算在垂直荷载和水平荷载作用下下部构造墩柱的受力,再将板单独作为上部结构,计算在垂直荷载作用下的内力,此时墩柱按其刚度转化为边界约束。2)简化两步计算法:先按两步计算法计算,再用算得的边界反力作为荷载加到墩柱上计算墩柱的内力,计算大为简化而有同等精度。对于一般无梁板桥的计算,采用此法简便适宜。3)空间一次计算法:将墩柱和板作为空间整体结构进行计算,上、下部内力可一次算出,但前后处理均较复杂。4)特殊计算:将墩柱和柱顶厚板区域用空间单元划分,以探究其内力分布状况,一般在有特殊研究需要时采用。

对于无梁板桥,特别是复杂情况下的无梁板桥,单元的划分是结构分析计算重要的环节。本文采用梁格法分析计算,分别利用MIDAS和桥梁博士建立有限元分析模型,进行计算并对比校验。

3 结构尺寸与计算图式的拟定

在某广场建成的四座桥梁中,三号桥因平面形状复杂而最具代表性,以下结构分析和计算以三号桥为例。

该桥桥位处河道宽16 m,两侧挡土墙使用良好,设计时作不拆除考虑。本桥面板为异形板,为了适当提高墩柱的柔性,采用3 m高直径60cm的墩柱,下接直径100cm的墩桩。

3.1 结构有限元模型的建立

在有限元划分时,采用梁格法。它的主要思路是将结构用一个等效梁格来模拟。将分散在板或梁的每一区段内的抗弯刚度和抗扭刚度集中于邻近的等效梁格内,实际结构的纵向刚度集中于纵向梁格构件内,而横向刚度集中于横向梁格构件内。全桥结构计算模型见图1。

3.2 单元划分

对于单元的划分较为繁琐。在划分时遵循以下规则:

1)先对横梁(以车辆行驶方向为纵梁,垂直于车辆行驶方向为横梁)进行单元划分。由于侧向两端平行,横梁较为规则,划分网格时设横梁宽100cm。2)纵梁的划分需考虑的问题较多。首先,该桥属于车流交织地段;其次,如按实际板形划分,则纵梁左右截面都不同,输入数据庞大,在划分时按规整的单元考虑,即梁宽为 100cm;最后,考虑到板边效应,对于两侧的纵梁,按规整单元划分,宽度不大于一个车道宽(300cm)。3)墩柱顶中心为纵横梁交叉处。4)在墩柱顶板单元应加密,为了分析精度,本例将墩柱顶按柱顶托板1/4划分。5)下部结构分为墩柱单元和淤泥层底以上的墩桩单元。

3.3 结构计算及对比校验

根据JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范第4.1.6及4.1.7条规定,进行效应组合。对比MIDAS、桥博计算结果可知,总体计算结果相近,承载能力极限状态基本组合最大剪力相差5.2%,其余各组合下效应值相差幅度均在4%以下。

两种有限元程序各有特点,二者除活载加载表述方式略有差别外,其计算原理基本相同。前处理表现手法的不同导致结果有一定差异,但总体趋势统一,结果合理,可满足工程所需精度要求。

4 重要技术问题的探讨

4.1 上部板梁对钢纤维混凝土的应用

目前在桥台伸缝两侧局部范围的二次浇筑混凝土基本上都采用钢纤维混凝土,在混凝土桥面铺装上也常有使用,对于桥面现浇板采用钢纤维混凝土相对较少。本桥板梁材料采用钢纤维混凝土不仅能提高结构斜截面的抗剪强度,而且可大大提高混凝土的抗拉、抗裂能力,值得推广使用。

4.2 结构分析时墩桩边界条件的简化处理

针对该桥的地质和结构构造情况,采用几种简化墩柱边界情况:1)在墩柱底采用固结约束;2)在地质报告中③层淤泥、淤泥质粘土(灰色,土质均匀细腻,饱和,局部夹粉砂薄层或团块,流塑。场区普遍分布,厚度:7 m～8 m,工程地质性质极差)层底处的墩桩作固结约束处理;3)在淤泥层底以下3 m采用固结约束(本层及以下土层,工程地质性质一般～较好);4)在淤泥层底以下6 m采用固结约束;5)在淤泥层底以下9 m采用固结约束(此处已到强风化片麻岩层)。

表1 几种边界条件承载能力极限状态弯矩汇总 kN◦m

由表1中数据结果显示对墩桩作固结处理位置,从墩柱底至淤泥层底变化较大;从淤泥层底至其下9 m范围变化较小:其中最大负弯矩绝对值减小6.1%,最大正弯矩增加4.2%。结合地质情况,在设计计算时,采用在淤泥层底处对墩桩作固结处理,既简化了计算,又能得到较好反映实际结构受力状态的结果。需要注意的是在板的正弯矩区配筋时,应适当加大受拉区的配筋。

5 结语

1)利用MIDAS和桥梁博士分别建立模型,采用梁格法进行单元划分,进行该桥的持久状况承载能力极限状态和持久状况正常使用极限状态计算。两种软件计算结果相近:持久状况承载能力极限状态基本组合下最大剪力相差5.2%,其余各组合下效应值相差幅度均在4%以内。2)板梁材料采用钢纤维混凝土不仅能提高结构斜截面抗剪强度,而且可大大提高混凝土抗拉能力。3)在结构计算时,对于墩桩边界条件的简化处理,采用在淤泥层底处对墩桩做固结处理,简化了计算,且能得到较好反映实际结构受力状态的结果。

[1] 于德林,刘兆元.无梁板桥在高速公路中的设计应用[J].东北公路,1995,2(21):57-58.

[2] 王伯惠,张亚军.无梁板桥[M].北京:人民交通出版社,1999.

[3] 周涌波.无梁板桥在高等级公路立交工程中的推广应用[J].辽宁交通科技,1994(4):19-21.

[4] 杨忠平,王元汉.无梁板桥的结构分析及尺寸优化[J].建筑科技开发,2005,2(32):31-33.

[5] 郭 梅,杨柄成.无梁板桥的实用计算[J].西安公路学院学报,1994,3(14):20-24.