异形箱梁的设计探讨

６８·　北　方　交　通　异形箱粱的设计探讨　周　鑫　（辽宁省交通勘测设计院，沈阳１１０００５）　摘要：通过采用单梁法和梁格法对异形箱梁的计算分析，对异形箱梁设计过程中的问题进行了探讨，同时提　出并形箱梁的设计方法以及设计中应该注意的地方。证明梁格分析法在异形箱梁设计中简单可行，分析的精度可　达到一般工程设计的要求。　关键词：异形箱梁；单梁法；梁格法；ＭＩＤＡＳ　中圈分类号：ｕ４４２．５　３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７３—６０５２（２００９）０３—００６８—０３　１　引言　结构具有较大的斜角，必须用变宽梁格模拟，与单梁　随着计算机在桥梁计算中的全面发展利用，各　法计算的结果进行比较设计，有时特殊结构需要进　种综合性的桥梁分析程序可以对一般外形较为规则　行块体单元模型计算分析。　的箱型公路梁桥提供较为全面的分析。异形箱梁有　２连续异形箱梁模型　别于直线桥，异形箱梁内外腹板的弯曲应力和挠度　本文中异形箱梁的设计实例为三跨变宽度、等　都不相同，无论恒载还是可变荷载都会产生扭矩，　梁高单箱多室预应力混凝土连续箱梁桥，梁高　“弯、扭耦合”现象在异形箱梁中非常明显。对异形　１．４５ｍ，跨度为２３．５ｍ＋２３．５ｍ＋２１．３ｍ＝６８．３ｍ，桥　箱梁进行合理的分析设计就需要有合理的方法和细　梁总宽为１１．５９—２１．５０ｍ，单向多车道。由于第三　致的工作。对于宽度变化微小的箱梁，因为它对上　跨桥宽增加比较明显，通过增加５号纵梁优化结构　部结构内力影响甚微，可以忽略不计其影响，若上部　整体受力。箱梁的平面一般构造如图１。　幽１平面一殷构造图　本桥计算条件为结构自重容重２６ｋＮ／ｍ。；桥面　取它代表的区域内梁肋刚度，纵向构件代表梁格纵　铺装为１０ｅａｒ厚的沥青混凝土，防撞护栏每侧为　向刚度，横向构件代表梁格横向刚度，纵梁、横梁组　７ｋＮ／ｍ；梯度温差为１０℃，一５℃；体系温差为＋　成梁格体系，全桥共离散为四条纵向梁格。全桥共　２０℃，一３ＯｏＣ；支座不均匀沉降为５ｒａｍ；活载为公　划分为１３０个节点，２２５个单元，用１２９种梁格截面　路一Ｉ级车道荷载，其中第一、二跨为三车道布载，　特性模拟实际结构。　第三跨为四车道布载，车道折减系数按规范选取，偏　单梁法是既有相当精度又比较容易实行的方　载系数为１。１５，冲击系数为１．２５。　法。单根曲梁模型数据整理和计算都比较简单，但　单梁计算模型考虑实际桥梁的孔径及截面变化　是几乎所有类型的梁单元都有刚性截面假定，因而　形式划分单元，单元截面形式力求与实际桥梁断面　不能考虑桥梁横截面的畸变，总体精度较低。块体　相同。　单元壳单元模型与实际模型最接近，不需要计算横　梁格法箱梁模型采用通用桥梁计算软件ＭＩ　截面的形心剪力，中心翼板有效宽度截面的畸变翘　ＤＡＳ／ＣＩＶＩＬ（６．３．５版本）进行空问计算，计算时采　曲自动考虑，但是输出的是梁横截面上若干点的应　用空问剪力柔性梁格模拟实际结构，梁格构件刚度　力，不能直接用于强度计算。梁格法可以直接输出　第３期　周鑫：异形箱梁的设计探讨　Ｓｔｒｅｓｓ．ＣＢｍｉｎ：总计ｗａｉ／Ｃｏｍｂｉｎｅｄ（ｖ．＋ｚ】　·６９·　各主梁的内力，便于利用规范进行强度验算，整体精　度能满足设计要求。由于这个优点使得该法成为计　算异形箱梁的常用方法，但是它对原结构进行了面　目全非的简化，大量几何参数要预先计算准备，如果　由计算者手工准备不仅工作量大，而且人为偏差较　难避免。建立梁格模型理论上要求桥梁原型和等效　梁格承当相同荷载的时候，需要有相同的挠曲和扭　５Ｏ０　ｌ　ｒ　ｌ　ｋ　｝　＾　｝　一　Ｌ　｛　一　０　｛　ｌ　～　｝　卜　ｌ　ｆ　一　ｒ　＾　ｉ　—　ｊ　～　ｉ　Ｌ　ｈ＾　｛　一　｛　一；　一　Ｉ　０　Ｌ　～　一—ｈ　壅　｛　～　Ｊ　　●～　＿　ｌ　一　Ｉ　～　ｌ　一　…ｒ。’｝　ｉ　１　一　Ｉ苎　转。因此，异形箱梁分割为梁格时，注意纵梁的中和　轴位置应尽量一致。另外，为保证荷载的正确传递，　横向杆件的间距不宜超过纵向梁肋的间距。因为划　分梁格的截面几何特性相对原截面有较大偏差，需　要对纵梁格的抗扭惯性矩、剪切面积以及横向梁格　的抗弯惯性矩和剪切面积进行修正。计算模型如图　２所示。　湖湖湖　之　湖湖孽；湖姗　≈　１＃纵粱　２镌　粱　粱　３艟　梁　４＃纵梁　图２梁格计算模型　３　梁格模型计算结果与单梁模型应力结果的对比　着重分析单梁法与梁格法对结构上下缘拉压应　力差别，这里由于篇幅的原因仅列出一个边梁（１号　梁）、一个中梁（２号梁）和第三跨增加的５号梁使用　阶段的上缘压应力图：　使用阶段截面上缘混凝土压应力计算结果的对　比见图３一图６。　图３单梁模型使用阶段截面上缘混凝土压应力图　Ｓｔｒｅｓｓ．ＣＢｍｉｎ：总计ｗａｉ／Ｃｏｍｂｉｎｅｄ（ｖ．＋ｚ）　：｝　二：～ｌ｝Ｉ＝　一ｈ～　ｈ，～一ｒ、　：二ｆ｝。　～一～　●【『＿，－一　一　Ｊ　～　１　…　＾　莲　事　Ｌ　Ｈ　ｉ　＝　０　５　１０　１５　２０　２５　３０　３５　４０　４５　５０　５５　６０　６５　７０　７５　Ｄｉｓｔ．ＦｒｏｍＮｏｄｅ１　ｒｎ１１　图４梁格模型使用阶段１＃纵梁截面上缘混凝土压应力图　ｋ　一　ｊ　｛　＿一　，　ｉ　ｌ｝　｛｛ｌ　；　一　０　５　１０　１５　２０　２５　３０　３５　４０　４５　５０　５５　６０　６５　７０　７５　Ｄｉｓｔ．Ｆｒｏｍ　Ｎｏｄｅ　３１（ｍ）　图５梁格模型使用阶段２鹕５Ｌ梁截面上缘混凝土压应力图　Ｓｔｒｅｓｓ．ＣＢｍｉｎ：总计ｗａｉ／Ｃｏｍｂｉｎｅｄ（ｖ．＋ｚ）　Ｏ　１０００　２咖ｌ０　童－３ｏ０ｏ　Ｚ　删０　∽—５００Ｏ　６ｏＯ０　７０００　＿８ｏｏＯ　Ｕ　４　Ｏ　ｌＵ　ｌ　ｌ４　ｌ６　ｌ　Ｕ　ＺＺ　Ｚ４　Ｄｉｓｔ　Ｆｒｏｍ　Ｎｏｄｅ　１２１（ｍ）　图６梁格模型使用阶段５＃纵梁截面上缘混凝土压应力图　通过对单梁法与梁格法两种方法计算的应力结　果进行处理，将两种方法下各梁拉应力和压应力的　最大值提取出来列表进行对比分析。　表１最大拉应力比较　单位：ＭＰａ　第一跨跨中第二跨跨中第三跨跨中　Ｉ３　模型　上缘　上缘　上缘　下缘下缘　第一跨跨中第二跨跨中第三跨跨中　Ｉ３　模型　下缘　下缘　下缘　上缘上缘　７Ｏ·　北　方　交　通　从表中可以看出：　（４）对于横向梁格的计算结果，横梁中出现扭　（１）梁格模型的计算结果显示了应力分布的不　矩，其中Ｉ３处的横梁扭矩为９２９ｋＮｍ最大，这一扭　均匀性，各跨最大应力出现在不同的纵梁，从空间计　矩对于梁高１．４５ｍ、宽度为２ｍ的横梁来说并不影　算的结果可以看出外侧纵梁的应力大于内侧梁格的　响配筋，腹板量变化处的横梁宽度由一般的１．６ｍ　应力，真实的体现了腹板受力的不均匀性。但是最　增加到了２．０ｍ，使得腹板量变化处横梁应力结果并　大拉应力空问计算结果中的最大值与单梁模型的结　不大于其他横梁。　果相差不大，表明平面简化模型是偏于安全进行计　４总结　算的，基本能够得出截面的最不利应力。　异形箱梁在横纵方向上的不规则性决定着结构　（２）各腹板的受力有一定的不均匀性，外侧腹　在恒载与可变荷载的作用下内力效应是复杂的，仅　板应力要大于内侧腹板，在预应力配筋时已经注意　使用一种方法进行分析设计不能很好的完成设计任　了这个问题，通过空间梁格的计算表明配筋符合要　务，需要至少两种方法进行分析。梁格法不同于简　求，并且最大值结果与单梁模型计算结果非常接近，　单的平面算法，一般的平面算法是将整个箱梁作为　用平面简化模型进行计算是可行的。　根梁来考虑，这样的算法与实际的结构相差甚远，　（３）对于增加的一条腹板，也就是空间梁格中　得出来的结果往往不甚可靠，梁格法将箱梁离散为　的５｝≠纵梁，在配筋时考虑到腹板个数变化处容易出　个格构体系，相对平面算法更加合理可靠。梁格　现受力的突变，因此配置的都是小束预应力筋，并且　法不能考虑箱形梁中的剪力滞、扭转、畸变等效应，　锚固点置于主梁截面形心（如图７），以上措施使得　需要做以上分析必须借助于传统的解析方法或者三　结构受力得到了比较好的改善，从空间梁格计算结　维有限元方法，在实际设计中如无需特别考虑如上　果可以看出，这种增加腹板的结果是可以接受的。　所述各种效应，则可以照相应的规范乘以一定的安　≥｛全系数来保证结构的可靠和安全。通过增大梁格密　２：　ｌ　～　ｏ０ｆ……÷一　～ｌ　．．．…　度可以提高计算的精度，但是会大大的增加工作量，　１ｆ　～　～　ＦＺ５…．…ＦＺ　１１　１　器　■　～√　袁量鬯　对于需要特别考虑的结构或是结构的某部分，可以　一　；　～～～　～～　’：　　。。＿　＿～…～适当的加密梁格。梁格法作为一种介于三维有限元　　、～～　一　■～～一～　～’～～～～　～～～～　法和平面算法之间的方法，通过试验的证实，其具有　：～ｖｚ１２　ｊ　～０　—　计算简单而结果相对可靠准确的优点，可供工程设　ｌ　　．计人员参考。　■………　、一、　……～……！　　；图７梁格模型使用阶段２＃纵梁截面Ｅ缘混凝土压应力图　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈｅｔｅｒｏｍｏｐｈｉｃ　Ｂｏｘ　Ｂｅａｍ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂｙ　ｗａｙ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｈｅｔｅｒｏｍｏｒｐｈｉｃ　ｂｏｘ　ｂｅａｍ　ｂｙ　ｓｉｎｇｌｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｇｒｉｄｉｒｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｍａｋｅｓ　ａｎ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｈｅｔｅｒｏｍｏｐｈｉｃ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ，ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｈｅｔｅｒｏｍｏｒｐｈｉｃ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔｓ　ｆｏｒ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｅｓｉｎｇ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｇｒｉｄｉｒｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｅｔｅｒｏｍｏｒｐｈｉｃ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ，ｉｔｓ　ａｎａｌｙｔｉｃ　ａｃ—　ｃｕｒａｃｙ　ｍｉｇｈｔ　ａｔｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｈｅｔｅｒｏｍｏｒｐｈｉｅ　ｇｉｒｄｅｒ；Ｓｉｎｇｌｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ；Ｇｒｉｄｉｒｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ；ＭＩＤＡＳ