混凝土箱梁横向受力精细化对比分析

颜　志　陈　竹

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

混凝土箱梁横向受力精细化对比分析

颜志陈竹

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要箱梁因其箱形截面具有良好的结构性能，比如，截面抗扭刚度大、能有效地抵抗正负弯矩、施工方便、截面使用效率高等，因而在现代各种桥梁中得到了广泛应用。因此，对箱梁的各种受力特性应有明确的了解，其中横向内力也是混凝土箱梁设计过程中必不可少的计算内容。文中分别采用MIDAS，ANSYS有限元软件建立单箱三室混凝土箱梁节段模型，加载对比分析其横向受力特点，得出结论：无横隔板箱梁横向呈框架受力模式，二者计算结果基本是吻合的，同时说明了MIDAS平面杆系模型可以满足一般计算精度要求。

关键词混凝土箱梁横向受力有限元

近年来，随着桥梁材料性能和施工工艺的不断进步，采用预应力混凝土箱梁的桥梁越来越多。由于箱梁截面抗扭刚度大，动力特性好，能有效抵抗正负弯矩，便于上、下层车道分流与管线布置，适应悬臂法与顶推法施工要求，因此，箱型截面梁通常是公路混凝土梁桥的最佳选择[1]。

但是箱形截面混凝土梁由于挖空率比较大，因此腹板间距较大、箱壁相对较薄，由恒载(比如预应力)、活载，以及其他作用产生的横向内力是很大的。现行规范中涉及这方面的内容相对很少，设计人员只能根据经验对箱梁的横向进行配筋，这导致了许多桥梁在使用阶段甚至施工阶段出现纵向裂缝。因此，合理地进行箱梁横向内力计算是不可缺少的[2]。

在双索面的预应力混凝土箱梁斜拉桥中，预应力混凝土箱梁与斜拉索在箱梁的两侧连接，为箱梁提供了弹性支承。斜拉索在箱梁的两侧产生较大的竖向分力。箱梁的横桥向弯矩和横向剪力的大小和传递路径决定了箱梁横向内力的大小。箱梁横向弯矩和剪力的大小与桥梁的横向宽度以及截面尺寸等有关，本文不考虑此类参数影响。

在没有横隔梁的情况下(见图1)，箱梁内力呈现框架的受力模式，仅考虑两侧斜拉索的竖向分力作用，受力相当于简支梁，箱梁的平衡如图所示；外侧的斜腹板为受拉板件，顶板(除两侧悬臂板外)为受压板件，底板为受拉板件，腹板为受压板件；考虑顶板与腹板相交处节点的受力平衡条件时，节点刚度介于铰接节点和刚接节点之间，节点在顶板压力、剪力、和腹板压力下满足平衡条件。

图1　混凝土箱梁横向内力图

本文针对混凝土箱梁在车辆集中荷载作用下，分别采用MIDAS和ANSYS有限元软件对比研究了混凝土箱梁的横向受力分析模型。

1有限元模型

模型所用箱梁以某双索面预应力混凝土箱梁斜拉桥为工程背景，该桥主梁为单箱三室预应力混凝土箱梁。主跨标准梁段主梁中心高3.0 m，顶板宽27 m、厚25 cm。中室净跨6.0 m,边室3.95 m。主梁标准节段腹板厚度30 cm。主要尺寸见图2。

图2　混凝土箱梁标准断面图(单位：mm)

模型中不考虑纵桥向预应力作用。用ANSYS采用solid65实体单元和link8杆单元分别模拟混凝土和横向预应力钢筋，建立箱梁节段模型。用MIDAS建立平面杆系模型。分别见图3、图4。

图3　MIDAS箱梁有限元节段模型

图4ANSYS箱梁有限元节段模型

箱梁顶板预应力采用9束低松弛钢绞线，底板预应力采用4束低松弛钢绞线，标准强度皆为1 860 MPa，张拉控制应力为0.75倍标准强度。支座采用简支梁式多点支撑，位置为设在斜拉桥箱梁吊杆处，ANSYS模型中在此处选择多个节点约束住竖向y方向位移以防止绕横向扭转，支座距悬臂边缘4.75 m。

作用在箱形梁上的荷载包括恒载与活载。恒载是连续对称作用的，包括箱梁自重、二期恒载等，活载可以是对称作用，也可以是非对称偏心作用，包括车辆荷载等。本文综合考虑箱梁自重和车辆荷载，车辆荷载采用横向对称均布的标准重量4辆车，轴重140 kN，在纵向有间距1.4 m的2个轮轴作用，合并加载情况见图5。

图5　箱梁加载示意图(尺寸单位：m；荷载单位：kN)

2横向受力分析

2.1箱梁竖向位移对比分析

在自重及车辆荷载作用下， ANSYS软件计算结果中箱梁位移示意见图6。

图6　ANSYS箱梁位移计算结果

由图6及对比MIDAS计算结果可见，2种软件得出的结果基本是吻合的，区别在于ANSYS结果在纵桥向也是变化的，结果趋于精细化，也更合理。在箱梁翼缘端部处，MIDAS结果为6.4 mm，ANSYS结果为6.5 mm，结果基本一致。在跨中处，MIDAS结果为1.2 mm，ANSYS结果则在纵向为变化值，边缘处最小，其值约为0.8 mm，中间部位约为1.8 mm，这是因为车辆荷载集中作用在此处所致。

2.2箱梁横向应力对比分析

在自重及车辆荷载作用下， ANSYS软件计算结果中箱梁横向应力云图见图7。

由图7及对比MIDAS计算结果可见，箱梁横向受力呈框架式；二者横向应力结果基本也是吻合的。在顶板跨中处，MIDAS结果约为7 MPa，ANSYS结果为5～9 MPa。在底板处，MIDAS结果为2.2～2.8 MPa，ANSYS结果则为1.5～3.5 MPa。在中腹板处，MIDAS结果为2.0～3.9 MPa，ANSYS结果则为0.8～1.3 MPa，此处结果相差较大。而在斜腹板处，MIDAS结果为2.0～3.0 MPa，ANSYS结果则为1.8～2.8 MPa。总体来说，考虑ANSYS结果的纵向分布，二者相差不大。

3结论

箱梁横向受力呈框架式。综合考虑ANSYS结果的纵向分布，二者计算结果基本是吻合的，在中腹板处差别相对较大，说明MIDAS平面杆系模型可以满足一般计算精度。

但本文未能考虑箱梁中横隔板的影响，应该进行进一步的研究分析。

参考文献

[1]邵旭东.桥梁设计百问[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]袁好国,王航.混凝土箱梁横向受力的计算方法研究[J].科技信息，2011(17):462-463.

收稿日期：2014-11-05

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.005