连续变宽箱形桥梁计算精度探究

罗玉娇

摘 要：随着我国经济快速平稳的发展，人们收入水平极大提高，对车辆的消费需求也不断扩大。此外城市化建设进程的不断加快，对桥梁建设提出了更为严苛的要求。此次以某连续变宽箱形桥梁为例，基于梁格以及单梁模型的构建，对两种模型的差别以及精度进行研究分析，并在基于一定的富裕度考虑后，将变宽箱梁纵向简化为单梁模型进行分析。

关键词：工程设计；桥梁；变宽箱形；计算精度

中图分类号：U442 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）24-0088-02

0 引言

近年我国经济快速发展，城市化建设进程也得到了明显提高，人均车辆保有量较往年明显增多，城市交通问题日益严重。高架立交桥是缓解城市交通压力的重要措施之一，为了城市资源的充分利用，达到合理的城市交通规划设计、结构安全设计、行车安全性及舒适性等目的，对现代化高架桥的建设设计提出了更高的要求。高架桥由于交通组织需要局部逐渐变宽时，受现场实际地形、交通环境以及城市景观等因素影响，变宽箱形梁桥随之应运而生。连续变宽箱形梁桥同时具有宽箱梁桥以及异形梁桥的特点。

1 工程介绍

此次以某城市高架桥为例，其跨度设置为32+42+30米，设计梁高为2米，主桥断面主要以单箱四室箱形截面，设计三道竖直腹板，两道斜腹板，设计箱梁顶板宽度从22.212米渐变至27.7米，宽跨比约为0.6。箱室规格随着桥面宽度的变化而改变。箱梁顶板厚度设计为22厘米，底板厚度则控制为22-40厘米，腹板厚度为45-70厘米。在桥梁的跨间未设置横隔板，而只是在桥墩位置设计了支座横梁。设计边墩的横梁厚度为1米，中墩横梁控制为2米，桥墩位置横向布置三个支座。混凝土强度等级设计为C50，预应力管道以PE塑料波纹管为主，钢绞线抗拉强度标准值为1860兆帕，单根钢绞线设计直径为15.2毫米。公路-I级，双向六车道，整座桥选用一次落架，十年收缩徐变。

2 基于有限元建模分析

此次就该连续变宽箱形桥梁选择有限元软件构建了单梁模型以及梁格模型，并对两个模型进行对比分析。

2.1 单梁模型分析

该桥单梁模型共有120个模块以及1157个支点。其中80个模块以及81个支点为主梁所用，基于截面偏心以及变截面的方式实现对上部结构的模拟分析。横梁部分以顶底板厚度进行过渡处理，掏空后基于单元负载方式对重量进行补充。上部结构材料以C50混凝土为主，其物理特性等满足设计要求，收缩以及徐变均效应程序自动加载。采用实际的荷载位置模拟负载的加载，于桥面均匀设置荷载，依据其荷载断面重心位置偏心加载于整个单梁模型上。

2.2 梁格模型

整座梁格模型桥梁总计1150个模块以及745个支点，其中1110个模块以及669个支点用于主梁上。纵梁格于顶底板的中心位置划分开，而横梁格则于截面变化位置分开。其中纵梁格5条，每个梁格均包括68个模块，中纵梁处于横断面的中腹板区域，边纵梁处于斜腹板的上方，横梁格63条，共计770个单元。包括横梁实腹梁格、支点周边纵向加密梁格、顶底板等厚度梁格等组成。纵梁格于横梁区域依据顶底板厚度过度，待掏空后依据单元负荷对其重量进行弥补。上部结构材料以C50混凝土为主，其物理特性等满足设计要求，收缩以及徐变均效应程序自动加载。荷载加载通常采用荷载位置模拟的原则，于桥面均匀设置荷载，依据其荷载断面重心位置偏心加载于整个模型上。

3 对比分析

3.1 精度对比分析

在恒载，即自重以及二期等共同影响下，针对该桥梁的梁格模型以及单梁模型的的左中支点、左侧的边跨跨中、中跨跨中、右中支点、右侧的边跨跨中截面的正面应力结果进行对比分析。详细数据如表1所示。

由表1数据可知，基于梁格模型所计算得到的各个腹板的应力和与其相对应的单梁模型结果较为接近，在跨中梁格模型分析计算的腹板应力和单梁应力差距基本控制在8%以内，而在支点处单梁模型的结果则相差相对较大，这也恰好论证了梁格模型横向效应的影响，计算结果通常不利。梁格计算的平均应力和单梁模型的误差基本控制在3.5%以内，梁格模型的应力变化总的情况和单梁基本类似。此外，右边跨中、右边支点梁格应力和单梁应力结果相较于左侧跨跨中更为精确，很好的论证了宽跨比对于单梁模型计算精度方面的影响。

3.2 应力对比分析

依据文件JTG D62-2012相关规定，此次主要考量正截面最大应力有压储备在短期效应情况下的分析，并将其作为单梁模型的富裕量，和两个模型结果进行比对分析。详细数据如表2所示。

由表2可知，在施工阶段，基于短暂情况下单梁模型构件其正截面最大拉应力为-0.9兆帕，有压应力储备；梁格模型构件正截面最大拉应力为0兆帕，没有产生拉应力，均低于规范所规定的1.39兆帕，符合相关规范要求；此外，单梁模型短期效应组合下截面未出现拉应力，符合相关规范要求；梁格模型短期效应组合下载面积最大拉应力1.2兆帕，低于相关标准规定，符合规范要求；基于持久的情况下，单梁模型与梁格模型的构件正截面最大压应力均符合相关规定要求。

此外由表2中可以看出，单梁模型在长期效应的情况下，截面未出现拉应力，满足相关规定要求；梁格模型短期效应组合下截面最大拉应力为0.6兆帕，只在其局部的拉应力出现超出规定范围的情况。单梁模型可以实现在短期效应组合的情况下，正截面的最大正面应力未出现拉应力以及压应力有富裕量，基于上述两种模型的应力分析结果和相关设计规范要求进行比对，不考虑长期效应组合下梁格模型的计算应力在右中支点处存在拉应力，在其它形式的荷载组合下均满足规范规定的要求。因此在恰当、科学合理的安全储备前提下，单梁模型的分析方法在前期设计阶段具有一定的应用价值。

4 结语

在此次连续变宽箱梁桥的案例分析中，基于单梁模型以及梁格模型进分析方法行了对比研究，梁格模型各个腹板的应力和与之相对应的单梁计算结果基本类似。此外，基于梁格模型的应力变化趋势与单梁模型应力变化趋势基本一致，在右跨计算中两种模型的分析结果误差相对较大，从而很好的论证了宽跨比越大对于单梁模型精度的影响越為不利，即其分析所得结果的精度越为难以令人满意。针对两组模型在长期效应组合、短期效应组合以及标准组合和施工阶段的应力情况，梁格模型纵向计算综合考量了横向效应可能存在的影响，实际所得到的结果普遍较为不利，但就宏观角度分析，梁格模型以及单梁模型之间的结果基本接近。故当单梁模型在基于一定安全储备考量的前提下，可以将变宽箱梁纵向简化为单梁模型进行进一步的计算分析，并可有效适用于工程前期设计分析中。未来随着城市建设速度的加快及建设水平的提升，对于桥梁设计分析的科学性以及合理性要求将越为严苛，而基于单梁模型的分析方式可以较为快速准确的得到分析结果，为工程前期方案设计提供参考，具有较好的应用前景。

参考文献

[1]何士芳.连续变宽城市高架桥单梁模型与梁格模型计算结果对比分析[J].交通世界，2016（14）：44-45.

[2]陈健.连续变宽箱形桥梁计算精度分析[J].城市建筑，2015（27）：241-242.