預(yù)應(yīng)力混凝土槽形簡支梁內(nèi)力分析方法研究

　　摘　要:首先采用傳統(tǒng)的計算理論對某輕軌高架橋槽形簡支梁的內(nèi)力進行了手算.同時,還采用MidasCivil橋梁專用設(shè)計軟件對槽形梁進行了電算,在對計算結(jié)果進行比較的基礎(chǔ)上,對傳統(tǒng)設(shè)計理論的可靠性進行了剖析和評價,并對實際的工程設(shè)計提出合理化的建議.

　　關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力混凝土;槽形梁;內(nèi)力計算

　　1 工程簡介

　　某輕軌高架橋,設(shè)計區(qū)間總長為90m,雙線、線路中心線間距為3.6m.車輛采用電力牽引、第三軌受力,設(shè)計最高行車速度為80km/h,軌距1425mm,軸重14t.采用60kg/m鋼軌、鋼筋混凝土軌枕式整體道床,軌道建筑高度為55cm.擬采用3×30m預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋,采用等高度雙線整體式預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁截面.橋墩采用T形墩,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁.

　　槽形梁是一種下承式受力構(gòu)件,其傳力途徑為列車輪載作用于槽形梁底板,底板將荷載橫向傳至兩側(cè)縱向主梁.主梁內(nèi)配有高強預(yù)應(yīng)力鋼筋,抵抗橋跨結(jié)構(gòu)由外荷載產(chǎn)生的彎矩.槽形梁具有增加橋下凈空、減少建筑高度、兩側(cè)主梁可提供隔音屏作用、縮短施工工期及降低使用期內(nèi)的費用等優(yōu)點.槽形梁的具體尺寸見圖1.

　　2 一般計算方法

　　2.1 主梁內(nèi)力計算

　　對于主梁內(nèi)力的計算,傳統(tǒng)的方法是將主梁簡化為一般的簡支受力體系,采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進行計算.

　　(1)恒載內(nèi)力:包括一期恒載(槽形梁自重)及二期恒載(65kN/m)作用下的內(nèi)力.計算簡圖如圖2所示.

　　(2)活載內(nèi)力:列車活載按6節(jié)車輛編組計算, 重車和空車軸重分別為140kN和70kN.考慮到該輕軌為雙線,依據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157―2003)[1],雙線時應(yīng)按各線列車活載總和計算.故最不利加載情況為雙線同時有重車通過.圖3為跨中最大彎矩的計算圖式,限于篇幅,其他不一一列出.

　　主梁內(nèi)力計算結(jié)果匯總于表1.　　

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　　2.2 道床板內(nèi)力計算

　　道床板按單向板進行計算[2-3],計算跨度B取兩主梁腹板中線與道床板中面交點間的距離,取1m寬的板條進行計算.計算結(jié)果列于表2.　　

　　3 電算分析方法

　　以上計算主梁內(nèi)力的傳統(tǒng)方法,采用了相應(yīng)的簡化假設(shè),實際上是在忽略主梁截面尺寸影響的前提下進行的.但實際上槽形梁是一個空間的結(jié)構(gòu),主梁截面的不同部分之間有著相互的影響.而近年來得到廣泛使用的MidasCivil設(shè)計軟件,正是將主梁作為空間整體分析,可以充分反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng).為了做一比較,同時檢驗傳統(tǒng)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,筆者采用Midas設(shè)計軟件對主梁內(nèi)力進行了相應(yīng)的計算.

　　3.1 槽形梁模型化

　　由于槽形梁的主梁翼緣、腹板及道床板的厚度與梁體的表面尺寸相比小得多,可近似地將槽形梁視為空間折板的薄殼結(jié)構(gòu).為便于結(jié)構(gòu)的模型化,首先依據(jù)下列原則對截面進行換算:①截面的主要外形尺寸及板厚均保持不變;②主梁部分的中和軸位置基本不變;③主梁腹板的截面面積及腹板中面的傾斜角保持不變;④主梁上、下翼緣板的截面面積基本不變;⑤主梁截面沿X和Y方向的慣性矩Ix和Iy基本不變.

　　據(jù)此,可將槽形梁在Midas中建立有限元分析模型,其縱向劃分15個單元,橫向劃分20個單元.為了保證模型符合實際結(jié)構(gòu),在兩端還增加了端橫梁單元.

　　槽形梁采用四點支撐[4],在模型中加入約束條件并定義荷載之后,即可進行內(nèi)力分析.荷載的種類和大小與手算時相同,特別地,二期恒載按g2=65/8.98=7.24kN/m2換算為面荷載進行加載.

　　3.2 電算結(jié)果分析

　　由于荷載及結(jié)構(gòu)的對稱性,各種荷載作用下板單元的橫向彎矩值可只取結(jié)構(gòu)的一半進行觀察.表3所列為荷載組合作用下各單元的橫向彎矩值,圖4為橫向彎矩沿縱向的分布圖.其它荷載情況未一一列出.

　　4 分析與比較

　　從電算的結(jié)果可看出,各板單元在豎向荷載作用下不僅會發(fā)生雙向彎曲和扭轉(zhuǎn),而且由于共同工作還引起拉伸變形.而腹板處的板單元則受法向應(yīng)力、剪切和扭、彎共同作用,總的來說槽形梁比一般上承式梁的工作狀態(tài)豎向荷載作用下不僅會發(fā)生雙向彎曲和扭轉(zhuǎn),而且由于共同工作還引起拉伸變形.而腹板處的板單元則受法向應(yīng)力、剪切和扭、彎共同作用,總的來說槽形梁比一般上承式梁的工作狀態(tài)要復(fù)雜的多.　　

　　對兩種方法的計算結(jié)果對比分析后發(fā)現(xiàn),它們之間存在一定的差別.無論哪種荷載情況,手算結(jié)果均比電算結(jié)果大,各種荷載作用下橫向彎矩值沿梁長方向的變化趨勢也不相同.總體而言,利用手算的結(jié)果進行配筋計算,是偏安全的處理方法.差異的主要原因在于以下幾個方面:

　　(1)在電算分析中,將結(jié)構(gòu)作為一個整體,其結(jié)果是由共同作用產(chǎn)生的;而手算時則不能很好地體現(xiàn)這種共同作用,故導(dǎo)致計算結(jié)果偏大.

　　(2)在電算分析中,結(jié)構(gòu)跨中部分的板單元受到的是相鄰板單元的約束,而端部的板單元受到的是支座與端橫梁的約束,兩種約束條件不同.這就使得荷載作用下,單元的彎矩值沿梁長的變化趨勢在跨中與

　　端部并不相同.

　　(3)由于槽形梁實際上是一種梁、板組合的空間整體結(jié)構(gòu),而角隅部分又是梁、板的連接處,結(jié)構(gòu)復(fù)雜.但由于軟件本身的特點,使得電算對結(jié)構(gòu)在角隅處的分析結(jié)果并不是太理想,從而也導(dǎo)致兩種方法在角隅處的計算結(jié)果有出入.為保證電算中角隅部分的計算精度,應(yīng)將角隅部分單獨取出,作進一步的細部分析計算.　　

　　5 結(jié)論

　　總結(jié)上述的分析結(jié)果可知,兩種計算方法各有自己的優(yōu)缺點.電算的關(guān)鍵在于建立一個與實際較為接近的模型;同時應(yīng)采用多種軟件進行計算分析和比較.而手算的關(guān)鍵在于所依據(jù)的理論是否可靠,采用的設(shè)計計算方法是否正確可行.

　　由于槽形梁構(gòu)造復(fù)雜,理論研究還不夠成熟,而目前已建成的實例也較少.依據(jù)以上分析研究,給出以下幾點建議:

　　(1)手算所得主梁內(nèi)力均偏大,應(yīng)適當(dāng)結(jié)合電算方法綜合確定.

　　(2)手算道床板內(nèi)力時,沿梁全長均采用單位板寬的計算值,偏于安全,浪費材料.應(yīng)該依據(jù)力的變化趨勢進行配筋計算,從而達到減少鋼材用量,降低成本的目的.

　　(3)今后,應(yīng)在試驗及理論方面加強對槽形梁角隅部分的研究.同時在設(shè)計計算中應(yīng)加強角隅部分的設(shè)計,并進行相關(guān)的驗算.

　　參考文獻:

　　[1]GB50157―2003,地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2003.

　　[2]TB10002.3―99,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,1999.

　　[3]黃劍源,謝旭.城市高架橋的結(jié)構(gòu)理論與計算方法[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

　　[4]朱一凡,劉海鳳.支座轉(zhuǎn)動約束對連續(xù)梁內(nèi)力的影響及顯式表示[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報,1998,19(3):23-26.

　　[5]王玉田,馬培建,章偉,等.某半剛構(gòu)―連續(xù)箱梁特大橋施工監(jiān)控技術(shù)[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2006,27(4):14-18.

　　[6]徐艷秋.圓心角對預(yù)應(yīng)力砼曲線連續(xù)梁彈塑性力學(xué)的影響[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2006,27(1):64-67.