装配式梁桥景观分隔带荷载横向分布计算研究

李冬冬， 王裕滔， 杨忠贤

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司, 四川成都 610081)



装配式梁桥景观分隔带荷载横向分布计算研究

李冬冬， 王裕滔， 杨忠贤

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司, 四川成都 610081)

【摘要】通过将景观分隔带考虑成人行道，采用刚接梁法和杠杆法近似得到景观分隔带的荷载横向分布计算结果。采用ABAQUS有限元软件建立全桥模型，通过有限元模型计算结果与刚接梁法和杠杆法计算结果对比分析，验证了上述近似计算方法的有效性和适用性。

【关键词】景观分隔带;荷载横向分布;刚接梁法;有限元法

随着城市化进程的进一步加快，城市汽车保有量逐年攀升，对市政桥梁的通行能力也提出了更高的要求。为保证行车安全、畅通，新建城市主干道桥梁宽度也越来越宽，桥面布置形式和桥上荷载形式也变得越来越复杂。特别是近些年来，为了增加远期桥面拓宽的空间储备和满足城市桥梁的景观需求，桥上景观分隔带宽度也逐渐增加。而由于传统荷载横向分布系数计算主要基于桥上活载发展起来的，对于荷载集度较大的景观分隔带荷载横向分布情况无法直接得到，一定程度上增加了设计难度和设计周期。

为更直接地实现荷载横向分布结果计算，本文将景观分隔带近似考虑成人行道，通过人群荷载加载近似计算景观分隔带荷载横向分布。采用ABAQUS通用有限元分析软件，建

立了桥梁的实体有限元模型，通过有限元和刚接梁法及杠杆法计算结果的对比，验证该近似方法的有效性和适用性。

1工程概况

本文依托项目为天府仁寿大道龙滩河中桥(3×20 m)，上部结构采用预应力钢筋混凝土装配式简支小箱梁，梁高1.2 m。龙滩河中桥全宽80 m，分四幅布置，每幅宽20 m。桥面横向共布置两道宽9.5 m侧分带和一道宽8.0 m中央分隔带，在保证仁寿大道景观效果和车辆分流要求的同时，为远期桥面拓宽预留足够的空间储备，其中景观分隔带填土厚度按0.4 m考虑，填土容重按20 kN/m3计。具体桥面布置如图1所示。

图1　龙滩河中桥标准断面布置(单位:cm)

由于各幅桥断面布置差别不大，且由于外幅桥景观分隔带较宽，受力更为不利。故本文取外幅桥作为主要研究对象进行分析。为方便分析，图1所示外侧桥小箱梁由右至左依次编号为1～7号梁，下不赘述。小箱梁力学参数见表1。

2刚接梁法计算结果

根据文献[1]，对于装配式梁桥，当桥上荷载作用在靠近支点处位置时，在距支点l/5跨径范围内的荷载横向分布系数偏安全的采用杠杆原理法计算，其余位置仍采用刚接梁法计算。刚接梁法和杠杆原理法均为十分成熟的荷载横向分布计算方法，其计算原理参考文献中均有详细介绍，本文不再赘述。本文直接采用桥梁博士V3.5中的荷载横向分布系数计算工具对龙滩河中桥外幅桥侧景观分隔带的荷载横向分布系数进行计算。计算过程中，将9.5 m宽景观分隔带作为人行道进行分析。

表1　小箱梁几何及力学参数表

景观分隔带荷载横向分布计算结果如图2、表2所示。

3有限元计算结果

为验证采用将景观分隔带等效为人行道近似计算荷载横向分布系数方法的正确性和适用性。本文采用ABAQUS 6.12通用有限元分析软件建立全桥模型。模型计算时基于如下假定：

(a)跨中荷载横向分布系数

(b)支点附近荷载横向分布系数图2　景观分隔带荷载横向分布系数

梁号支点附近(杠杆原理法)跨中(刚接梁法)13.2362.05922.8501.83032.8061.66040.9491.397501.068600.798700.680

(1)假定端横梁、中横梁、湿接缝及箱梁间可靠连接。有限元模型中各部件采用TIE约束保证各部件变形协调。

(2)忽略纵向预应力钢束对荷载横向分布的影响。由于纵向预应力钢束主要作用是增加桥梁纵向刚度，横向刚度主要由横梁、湿接缝及箱梁翼板提供，故本模型中未计入预应力。

(3)钢筋混凝土为均匀、各向同性材料。模型中采用C50钢筋混凝土，弹性模量3.45×1011Pa，泊松比0.3，容重26 kN/m3。

(4)受力过程中结构变形较小且处于线弹性变化阶段。

单元网格除支座附近采用四面体三维应力单元并加密划分外，其余部分均采用六面体三维应力单元。全桥模型及单元划分如图3所示。

图3　全桥模型及单元划分

三维实体有限元模型虽然可以更真实的反映出结构的受力及变形状态，但由于跨中无支承约束，荷载作用下无法直接从模型中得到各梁的荷载横向分配。根据假定(4)，结构处于线弹性状态，满足广义胡克定律。即：

(1)

其中:{Fi}为各梁分配荷载向量；

[K]为对应于景观分隔带荷载下的结构刚度矩阵；

{Ui}为跨中最大竖向位移向量。

换而言之，各梁分配荷载与各梁最大竖向位移成正比。因此，可以通过各梁最大竖向位移间接得到桥上荷载在各梁的荷载分配情况。

根据ABAQUS有限元模型计算结果，可以得到景观分隔带荷载下最大竖向位移云图如图4所示。

图4　景观分隔带荷载下最大竖向位移云图

对于支点附近荷载横向分布，可以从各支点处反力直接得到。最终计算结果如表3所示。

表3　有限元法荷载横向分布计算结果

4结果分析

通过采用桥梁博士V3.5中荷载横向分布计算工具和ABAQUS有限元建模分别计算龙滩河中桥外幅桥侧向景观分隔带荷载横向分布，并对结果进行对比分析，主要得到以下结论。

(1)采用杠杆法和有限元法得到的装配式梁桥支点附近荷载横向分布计算结果如图5所示。从图5中可以看出，杠杆法计算结果与有限元法的计算结果吻合较好，加载点附近箱梁荷载分配比例较大，远端箱梁荷载分配比例较少。

图5　支点附近荷载横向分布计算结果

(2)采用刚接梁法和有限元法得到的龙滩河中桥跨中荷载横向分布计算结果如图6所示。从图6中可以看出，刚接梁法计算结果与有限元法得到的荷载横向分布趋势基本一致，都表现为荷载加载位置附近荷载分配比例较大，向远端逐渐衰减。两种方法计算结果在加载点附近吻合成都较好，在远端箱梁计算结果差异较大。

图6　跨中荷载横向分布计算结果

综上所述，在计算宽度较大的景观分隔带荷载横向分布时，可采用等效成人行道进行计算：采用杠杆法计算支点附

近荷载横向分布，其计算结果与实际情况吻合较好，可以满足工程精度需求；对于桥梁跨中荷载横向分布，采用刚接梁法计算时会导致距加载位置较远处的箱梁荷载分配结果偏大，以此为依据进行设计是偏保守的，应结合桥梁所处具体情况及设计经验作出相应调整。

5结论

通过采用桥梁博士V3.5横向分布计算工具及ABAQUS软件分别对龙滩河中桥荷载横向分布系数计算，并对计算结果进行对比分析，主要得到以下结论：

(1)将宽景观分隔带等效为人行道计算装配式箱梁荷载横向分布是可行的，其计算结果可以满足工程要求。

(2)支点附近荷载横向分布，上述近似计算与实际受力状态吻合较好；而对于跨中荷载横向分布，其计算结果较实际情况偏大，设计人员在设计时应作出适当调整。

参考文献

[1]刘效尧，徐岳. 公路桥涵设计手册·梁桥[M].2版. 北京：人民交通出版社，2011.

[2]李国豪，石洞.公路桥涵荷载横向分布计算[M].2版. 北京：人民交通出版社，1984.

[3]范立础. 桥梁工程(上册)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4]JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范[S].

[5]JTG D62-2004 公路钢筋及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[6]李乐秋，彭斌，李勇. 城市宽桥横向分布系数采用梁格法的计算探讨[J].中国市政工程，2009(2).

【中图分类号】U448.21

【文献标志码】A

[定稿日期]2015-12-24