横隔板参数对装配式箱梁宽桥受力的影响

邓淇元, 肖凯龙, 鄢稳定, 邬晓光

(长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

近年来,社会经济快速发展,车流量与行车速度随之提高,对城市道路桥梁设计提出了新的要求.为了适应城市交通快速发展的需要,城市道路不断拓宽,相应桥梁也是如此,装配式宽桥得到广泛的应用.横隔板作为装配式宽桥的重要构件,起着使各梁成为整体,共同受力的作用.

人们对装配式梁桥的横隔板做了很多研究,但大多是针对T梁,而对装配式箱梁宽桥的横隔板研究不足.周少林[1]等对30 m简支T梁的横隔板厚度进行分析,得出了增加端横隔梁和中横隔梁厚度可以减少T梁桥梁底纵向应力的结论;牛艳伟[2]等建立5片T梁的有限元模型,研究横隔板的设置对载荷横向分布的影响;吕玉匣[3]等采用ANSYS对T梁桥的横隔板数量进行了参数分析,有限元计算表明设置3道横隔板时计算结果与刚性横梁法误差小于5%.而在箱梁方面,赵巧燕[4]对30 m箱梁窄桥的横隔板设置进行了研究,分析了其对箱梁整体受力的影响.邬晓光[5]等从改善跨中部位顶板及底板横向应力分布的角度,对连续刚构桥的横隔板厚度、挖空率等参数进行了研究,给出了参考数据.肖凯龙[6]等对不同跨径T梁宽桥的横隔板布置进行研究,给出了布置数量和位置的建议.

本文建立了40 m跨径装配式连续箱梁宽桥的不同宽跨比模型,通过改变横隔板厚度、位置和数量,观测中梁挠度的变化,从而得出影响横隔板对箱梁宽桥作用的因素,并总结出横隔板的最优设置方式.

1 模型参数

分别取不同的宽跨比0.75、1.00、1.25、1.50,建立跨径为20 m、40 m的三跨装配式连续箱梁桥模型.每片主梁截面宽3.3 m,横隔板厚度200 mm.移动载荷以《公路桥涵设计通用规范》[7]为准,按中载方式布置.有限元模型如图1、图2所示,模型单梁截面尺寸如图3所示,横隔板位置如图4和表1所示.

图1 连续箱梁宽桥MIDAS模型Fig.1 MIDAS model of continuous wide box girder

图2 MIDAS 模型横截面Fig.2 Cross section of MIDAS model

图3 模型单梁截面尺寸(单位:mm)

图4 横隔板位置Fig.4 Diaphragm location

2 横隔板位置对梁桥载荷横向分布的影响

由于挠度变化可以近似表征载荷横向分布,故记录不同横隔板厚度下中梁最大挠度变化趋势,以之作为载荷横向分布效果的判断标准.

(1) 20 m跨径连续宽箱梁.为研究载荷作用下横隔板位置不同对20 m装配式连续箱梁中梁边中跨跨中挠度的影响,将全桥横隔板布置情况分为2道、3道、4道和5道4种布置情况建立计算模型,得到这4种模型的中梁挠度计算结果以及变化趋势,见表2.

表2 横隔板数量影响下20 m装配式连续箱梁中梁最大挠度

注: 相对差值为前次挠度计算结果与本次挠度计算结果之差除以本次挠度计算结果的商.4道横隔板与5道横隔板的相对差值都是相对于3道横隔板而言的,即它们的前次计算结果都是3道横隔板时挠度.

由表2可知,设置3道横隔板时,与设置2道横隔板相比,降低中梁中跨最大挠度的11%～17%,降低中梁边跨最大挠度的7%～12%,变化较为明显.当继续在中横隔板两侧设置横隔板(即设置5道横隔板)时,其挠度值与设置3道横隔板时的挠度值相比,变化并不明显,相对差值在1%～3%之间.当在中跨两侧约1/4跨径处设置横隔板(即设置4道横隔板)时,箱梁挠度值与设置3道横隔板时的挠度相比降低很小,几乎为零.这表明1/4L与3/4L处横隔板的作用加起来大致相当于跨中横隔板的作用.可见跨中横隔板的作用最为关键,在其基础上增加横隔板时,作用并不明显,反而会增大结构自重.故仅跨中横隔板的设置便能达到很好载荷分布,跨径为20 m的装配式连续箱梁推荐设置3道横隔板.

(2) 40 m跨径连续宽箱梁.为研究载荷作用下横隔板位置不同对40 m装配式连续箱梁中梁边中跨跨中挠度的影响,将全桥横隔板布置情况分为2道、3道、4道和5道4种布置情况建立计算模型,得到这4种模型的中梁挠度计算结果以及变化趋势,见表3.

表3 横隔板数量影响下40 m装配式连续箱梁中梁最大挠度

注: 相对差值为前次挠度计算结果与本次挠度计算结果之差除以本次挠度计算结果的商.4道横隔板与5道横隔板的相对差值都是相对于3道横隔梁而言的,即它们的前次计算结果都是3道横隔板时挠度.

由表3可知,设置3道横隔板时,与设置2道横隔板相比,降低中梁中跨最大挠度的14%～39%,降低中梁边跨最大挠度的7%～16%,变化较为明显.当继续在中横隔板两侧设置横隔板(即设置5道横隔板)时,其挠度值与设置3道横隔板时的挠度值相比,变化并不明显,相对差值在5%～7%之间.当在中跨两侧约1/4跨径处设置横隔板(即设置4道横隔板)时,箱梁挠度值与设置3道横隔板时的挠度相比没有降低,甚至略有上升,最大上升值为13%.这表明1/4L与3/4L处横隔板的作用加起来大致相当于跨中横隔板的作用,甚至略有不足.可见跨中横隔板的作用最为关键,在其基础上增加横隔板时,作用并不明显,反而会增大结构自重.故仅跨中横隔板的设置便能达到很好的载荷分布,跨径为40 m的装配式连续箱梁推荐设置3道横隔板.

3 横隔板厚度对梁桥载荷横向分布的影响

取不同宽跨比下(0.75、1.00、1.25、1.50)的40 m装配式连续箱梁宽桥计算模型,在上文确定最优横隔板数量及位置,即设置3道横隔板的基础上,通过改变横隔板厚度(即改变横隔板刚度)的方式来研究横隔板厚度的变化对于其结构受力的影响.根据横隔板厚度变化值100、200、300、400及500 mm分为5个计算模型.同样是通过挠度来衡量载荷横向分布.横隔板横断面如图5所示.

图5 横隔板横断面示意图Fig.5 Cross section sketch of diaphragm

从表4可以看出,在不同宽跨比下横隔板厚度对于结构中梁最大挠度的影响趋于同一种趋势,即横隔板厚度从100 mm增大到200 mm时,最大挠度将减小3%～7%.从200 mm再增加横隔板厚度,对结构最大中梁挠度的影响减小,最大只能减小2%左右.由于横隔板厚度增加会导致自重变大,故可以认为200～300 mm之间即为装配式连续箱梁桥最优横隔板厚度范围.

表4 横隔板厚度影响下40m装配式连续箱梁中梁最大挠度

4 结 论

(1) 对于跨径为20、40 m的装配式连续宽箱梁桥,只设置端横隔板和跨中横隔板就可以使载荷横向分布达到很好的效果.而在中跨两侧约1/4跨径处设置横隔板来代替中横隔板的做法会导致挠度加大,并不可取.若设置5道横隔板,载荷横向分布效果确实更好一些,但与设置3道横隔板的效果相差不大.

(2) 横隔板厚度从100 mm增加到200 mm时,装配式连续箱梁宽桥的载荷横向分布效果优化较为明显.若厚度继续增加,载荷横向分布效果变化较小.