三跨等截面箱梁横隔板并联空间受力分析研究

刘志峰 LIU Zhi-feng

（中铁四局集团第五工程有限公司，九江 332005）

0 引言

随着国家经济建设的不断发展，公路车辆的激增使得桥梁宽度不断增加，而采用整体超宽桥面的桥梁不仅施工周期较慢，而且容易出现横向受力问题，因此目前大多数公路桥梁采用分幅布置，使得桥梁宽度减小，不仅能够适用于悬臂浇筑或悬臂拼装等快速施工工艺[1-3]，而且结构体系受力状态条理清晰。但是由于分幅布置，结构整体性较弱，通常在箱梁跨中建立横隔板将两幅桥连接而成，增强其整体性的同时还可以提高受力性能。因此本文为研究横隔板对分幅布置的连续梁桥受力性能的影响，以某三跨等高度等宽度预应力连续梁桥为例，建立四种不同厚度横隔板的整体有限元模型，对比分析其内力状态和应力状态的变化规律，同时建立跨中节段局部模型分析横隔板和跨中截面局部受力情况，对采用横隔板优化后结构的力学特性进行分析[4-6]。

1 工程概况

某高速公路大桥主桥为3×70m预应力连续箱梁桥，主桥分两幅布置，单幅桥宽为15.25m。主梁采用等高度等宽预应力混凝土连续箱梁，按部分预应力A类结构设计。主桥截面采用单箱单室直腹板截面，整幅布置，顶板设置单向2.0%结构横坡，底板水平布置。在箱梁的支点处均设置了横梁，箱梁边支点横梁厚1.6m，箱梁中支点横梁厚为2.2m，梁端悬臂加厚至80cm，加厚段长1.6m。主梁采用三向预应力体系，纵、横向的预应力钢束采用公称直径为15.2mm的高强低松弛钢绞线，竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋。箱梁采用悬臂对称浇筑施工，两幅桥同步进行施工，桥梁总体示意图如图1所示。

图1 总体布置图

2 有限元模型建立

为了研究横隔板对分幅布置三跨等高连续梁桥受力性能影响，分别建立40cm、60cm、80cm以及100cm四种厚度横隔板的整体有限元模型，将其与原设计结构进行对比分析。主桥以及横隔板均采用杆系单元建立，且两幅桥分别建立，横隔板通过弹性连接将其与每跨跨中连接，计算模型如图2所示。

图2 有限元模型图

3 优化结果分析

3.1 内力优化结果分析

为了分析两幅独立的三跨等高连续梁桥在各跨跨中建立横隔板进行连接后对其内力的影响性能，通过建立不同厚度的横隔板整体有限元模型分析各关键位置弯矩和各支座剪力的受力性能，分别提取边跨跨中和中跨跨中正弯矩、中墩支点负弯矩以及各支座剪力，比较不同横隔板厚度下的受力性能，将计算结果整理至图3和图4中。

图3 不同横隔板厚度下最不利弯矩对比图

图4 不同横隔板厚度下最不利剪力对比图

两幅独立的三跨等高连续梁桥通过在各跨跨中分别建立横隔板进行连接后，对其各关键位置弯矩和各支座剪力受力性能有着重要的影响，分别建立不同厚度横隔板整体有限元模型，根据图3和图4可知，两幅独立的连续梁桥通过建立不同厚度横隔板连接后，边跨跨中和中跨跨中正弯矩、中墩支点负弯矩以及各支座剪力均有所减小；其中建立60cm厚度横隔板时，最不利弯矩和最不利剪力均为改善最明显，边跨跨中正弯矩和中跨跨中正弯矩分别减小了31.85%和29.02%；中墩支点负弯矩减小了34.94%。支座D0最不利剪力减小了31.90%，支座D1最不利剪力减小了33.36%，支座D2最不利剪力减小了33.75%，支座D3最不利剪力减小了33.12%。由此综上可知，通过建立横隔板将两幅连续梁桥连接起来，可以改善桥梁结构的受力性能，这是由于两幅独立的桥梁通过横隔板连接成整体，提高其整体刚度，有利于结构受力。

3.2 应力优化结果分析

为了分析两幅独立的三跨等高连续梁桥在各跨跨中建立横隔板进行连接后对其应力的影响，通过建立不同厚度的横隔板整体有限元模型分析各关键位置结构基本组合作用下的上下缘应力状态，分别提取边跨跨中和中跨跨中下缘拉压应力以及中墩支点上缘拉压应力，比较不同横隔板厚度下的受力性能，计算结果如图5和图6所示。

图5 不同横隔板厚度下最不利拉应力对比图

图6 不同横隔板厚度下最不利压应力对比图

两幅独立的三跨等高连续梁桥通过在各跨跨中分别建立横隔板进行连接后，同样对其各关键位置应力有着重要的影响，分别提取边跨跨中和中跨跨中处结构下缘拉压应力、中墩支点处结构上缘拉压应力整理至图5和图6，根据图5和图6可知，两幅独立的连续梁桥通过建立不同厚度横隔板连接后，边跨跨中和中跨跨中拉应力以及中墩支点压应力均有所减小；其中建立60cm厚度横隔板时，拉应力改善效果最为明显，边跨跨中和中跨跨中下缘拉应力分别减小了31.57%和28.94%；中墩支点上缘拉应力减小了36.86%。各关键位置处压应力也有所改善，但效果较弱，其中边跨跨中和中跨跨中下缘压应力分别减小了10.37%和13.45%；中墩支点上缘压应力减小了11.16%。由此综上可知，建立60cm厚度横隔板时对桥梁结构应力减小幅度最佳。

3.3 横隔板局部应力分析

为研究建立横隔板后的连续梁桥，跨中横隔板处局部是否出现开裂现象，应力是否能够满足要求，针对连续梁的典型跨中断面，采用有限元分析软件建立节段局部模型分析。模型中，实体单元采用C3D10十结点二次四面体单元，模型约束按实际模拟，加载位置与实际情况一致，计算分析模型如图7所示，对于混凝土结构，其主拉应力的大小通常能够反映结构是否开裂，因此主要关注主拉应力结果。其中60cm横隔板跨中局部计算结果如图8和图9以及表1所示。

表1 不同横梁厚度下跨中截面最大主拉应力对比表

图7 跨中节段局部有限元模型图

图8 60cm体外横梁跨中截面整体主拉应力（MPa）

图9 60cm跨中体外横梁主拉应力（MPa）

由表1可知，跨中截面局部主拉应力随着横隔板厚度增加而增大，而横隔板主拉应力随着横隔板厚度增加变化规律呈现先减小后增大的趋势。其中横隔板厚度40cm时，跨中截面主拉应力最小，为4.04MPa；60cm横隔板局部应力最小，仅为2.35MPa，因此综合来看，横隔板厚度选取60cm时，跨中区域局部应力状态较好。

4 结论

以某三跨等高度等宽度预应力连续梁桥为例，建立四种不同厚度横隔板的整体有限元模型，对比分析其内力状态和应力状态的变化规律，同时建立跨中节段局部模型分析横隔板和跨中截面局部受力情况，对比得到如下结论：

①两幅独立的连续梁桥通过建立不同厚度横隔板连接后，增强了结构的整体性，使得结构各关键截面的内力和应力均有所减小；而当选择厚度为60cm的横隔板时，弯矩最大幅度减小了34.94%，剪力最大幅度减小了33.75%，应力最大幅度减小了36.86%。

②对跨中截面以及跨中处横隔板进行局部分析可知，选取60cm横隔板局部主拉应力最小，仅为2.35MPa。

③通过横隔板将分幅布置的连续梁桥连接成整体，增强了桥梁横向刚度，使得桥梁整体性明显提升。然而随着横隔板厚度的增加，结果内力和应力并不是也随之下降的，因此并不需要设置很厚的横隔板。