小半径宽箱弯梁桥梁格计算方法对比分析①

薛 嵩，杨立坡

(天津市市政工程设计研究院，天津300051)

0 引 言

为减少日益增长的交通压力，越来越多的大宽跨比弯箱梁桥应用在市政路网的建设中.宽箱梁具有明显的空间受力效应，其中包括薄壁效应和剪力滞效应等;同时，弯梁在受力时又呈现出明显的“弯－扭耦合效应”［1］.宽箱弯梁桥具有综合上述特点，受力情况较常规桥梁复杂很多，因而选择合理的分析方法就显得更为重要.

在实际工程设计中，针对复杂桥梁的分析方法主要有单梁杆系模型、梁格法和空间实体分析方法.其中单梁模型无法考虑桥梁的空间效应，计算精度不够，而实体模型的前、后处理又十分复杂，降低工作效率.梁格法在确保计算精度的同时，建模又不十分复杂，逐步成为分析复杂桥梁的首选分析方法［2］.

目前常用的梁格理论有汉勃利梁格和慧加梁格理论.汉勃利梁格应用已久，其理论体系完善，分析方法明确［3］，但其理论本身使其在实际的应用中存在很多局限性.而慧加梁格则基于一套完全不同的理论体系，打破了汉勃利梁格的局限性.对于两种梁格理论，诸多文献已有十分详细的介绍［4～5］，本文不再赘述，以下主要介绍汉勃利梁格的局限性以及慧加梁格的优势.

1 汉勃利梁格的局限性

(1)汉勃利梁格要求各纵梁均带腹板，导致宽箱室截面划分粗糙，影响计算精度.

图1 慧加折面梁格示意图

图2 桥梁平面布置图

图3 跨中横断面图

(2)中性轴一致的原则会使截面划分不便，尤其对于变高或变宽连续箱梁，庞大的前期数据准备会使建模耗时大幅增加.

2 慧加梁格的优势

(1)无需要求各纵梁形心位置均和原截面保持一致，即分割截面后各纵向梁格的形心位置不变，采用横向梁格将各纵向梁格联系在一起，最终形成一个单层的折面格构式模型，如图1 所示.

(2)不需要每片纵梁均带腹板，实现了截面任意位置和任意个数的划分.

(3)梁格刚度修正方便，缩短建模时间.

表1 梁格模型支座反力结果对比(单位:kN)

续上表

图4 支点横断面图

图5 MIDAS CIVIL 梁格模型截面切割方式示意图

图6 WISEPLUS 梁格模型截面切割方式示意图

图7 MIDAS CIVIL 梁格模型示意图

3 箱梁受力的对比分析

3.1 工程背景

本文中所分析桥梁为4x30m 变截面预应力砼连续箱梁，采用满堂支架施工，梁高1.8m，梁宽21.5m.结构中心线平面线型为圆曲线+缓和曲线.桥梁平面布置及典型断面如图2 ～4 所示.

3.2 计算模型的建立

对于汉勃利梁格理论，本文采用MIDAS CIVIL有限元软件进行计算;对于慧加梁格理论，则采用WISEPLUS 有限元软件进行计算.针对两种软件的桥梁截面划分形式如图5 及图6 所示.

不同梁格模型均按各自理论进行截面参数修正后建立，分别如图7 及图8 所示.

图8 WISE PLUS 梁格模型示意图

图9 MIDAS FEA 实体模型

3.3 计算结果分析

分析时考虑的荷载包括自重、二恒以及预应力.由于这几项荷载即可较为全面的考虑宽箱弯梁桥的空间受力效应，故本文未对移动荷载进行分析.

限于篇幅，只给出反力对比结果.在上述各项荷载的综合作用下，两模型各支座支反力对比结果如表1 所示.

可以看出，对于每排支座的反力和，两种模型所得结果相差很小，但对于单独每个支座的反力，二者相差比较大.WISEPLUS 计算所得反力基本呈中间小两侧大的规律，且外弧侧略大于内弧侧，而MIDAS CIVIL 所得反力呈由外弧侧向内弧侧依次减小的趋势.因此，利用MIDAS FEA 有限元软件建立实体模型，以分析支反力的分布规律.

实体模型如图9 所示，计算结果对比如表2 所示.

由上表可见，WISEPLUS 梁格模型与实体计算结果规律一致.由于实体模型中各项预应力损失难以模拟全面，导致各支座反力均有误差，但均小于8%，且每排支座反力之和误差也均在1%以内.可见慧加梁格模型更加符合桥梁实际受力规律.

表2 WISE PLUS 与FEA 模型支座反力结果对比(单位:kN)

续上表

4 结 论

本文首先介绍了汉勃利梁格的局限性以及慧加梁格的优势，并根据这两种理论，对某4x30m 跨径宽箱弯梁桥分别建立了空间梁格有限元模型，对比分析了在自重、二恒以及预应力综合作用下各支座支反力情况.计算结果表明慧加梁格模型计算结果更加符合桥梁的实际受力情况.因此对于宽箱室的小半径弯梁，本文建议采用慧加梁格理论进行工程设计和分析.

［1］ 范立础.桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社，1996.

［2］ 城市宽箱梁桥的数值计算方法比较研究［J］.城市道桥与防洪，2014.5.

［3］ 戴公连，李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］ E C Hambly.Bridge deck behaviour［M］.2nd edtion.London:Taylor＆Francis，1991.

［5］ 徐栋.桥梁体外预应力设计技术［M］.北京:人民交通出版社，2008.