高架橋異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)研究

徐磊

摘要：高架橋容易被城市景觀建設(shè)以及擁擠的城市交通所影響，利用異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)能夠有效地將這些影響降到最低。相較于普通的建筑結(jié)構(gòu)，異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)在受力特性上有著顯著的不同。由于我國城市人口眾多，交通擁擠，因此高架橋的發(fā)展與建設(shè)水平處于國際領(lǐng)先地位，但是高架橋異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)的研究力度明顯不足?；诖?，本文將結(jié)合工程實(shí)例對(duì)該空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：高架橋；異形寬箱梁；空間結(jié)構(gòu)；研究

引言

為了將交通功能發(fā)揮到最大化，高架橋的橋梁寬度一般較大。但是隨著人類文明的進(jìn)步，對(duì)公共設(shè)施的要求不僅體現(xiàn)在功能方面，還要求其具有文化性與舒適性。因此，對(duì)高架橋梁的景觀設(shè)計(jì)也逐漸重視起來。目前大部分的高架橋在設(shè)計(jì)橋梁橫斷面時(shí)都運(yùn)用了曲線元素。異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)比一般的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，一些在普通結(jié)構(gòu)分析中能夠應(yīng)用的假定條件并不能同樣適用于異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段我國的高架橋建設(shè)數(shù)量及規(guī)模都在不斷擴(kuò)大，對(duì)異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)在承載不同作用力的情況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析得出的結(jié)論能夠作為高架橋設(shè)計(jì)優(yōu)化方案中重要的參考數(shù)據(jù)，對(duì)類似高架橋結(jié)構(gòu)的其他設(shè)計(jì)也能提供幫助。

1.工程實(shí)例

本文中應(yīng)用的實(shí)例為一座跨徑布置長達(dá)26+26M的立交橋，橋面寬度為17.35米至24.53米，在施工時(shí)應(yīng)用了滿堂支架。主梁的高度為兩米，頂板高度為0.55米至0.51米，整體來看結(jié)構(gòu)一般。

2.建立有限元模型

2.1梁格有限元模型。首先將整坐立交橋的整體空間模型建立起來，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用多于六個(gè)的自由度，并且包含三個(gè)不同方向的線位移與轉(zhuǎn)角位移。因?yàn)橛锌赡馨l(fā)生立交橋的梁剪切變形對(duì)剛度矩陣產(chǎn)生影響的情況，所以梁單元模型有389個(gè)節(jié)點(diǎn)與688個(gè)梁單元。

2.2板殼單元模型。與上文中提到的梁格模型相同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)也是應(yīng)用多于六個(gè)的自由度，并且包含三個(gè)不同方向的線位移與轉(zhuǎn)角位移。為了進(jìn)一步提高箱梁計(jì)算的精確性，應(yīng)該充分考慮到MIDAS之中箱梁的頂?shù)装逶诩羟兄袠O有可能發(fā)生變形這一因素。與此同時(shí)，頂板、底板的劃分都應(yīng)該以一米為基本單位。全部的板單元模型總共需要有兩千九百多個(gè)節(jié)點(diǎn)與三千三百多個(gè)板單元。

3.對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析

3.1荷載工況。當(dāng)梁格與板單元模型所能承受的荷載作用與加載數(shù)量相等的時(shí)候，才能對(duì)這兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。因此在對(duì)比時(shí)務(wù)必考慮到這兩個(gè)結(jié)構(gòu)受到不同結(jié)構(gòu)的重力時(shí)會(huì)出現(xiàn)的情況，而且在計(jì)算活載時(shí)，荷載工況在取值時(shí)都應(yīng)該將相關(guān)的公路橋規(guī)中對(duì)頂?shù)能嚨篮奢d數(shù)值作為參考因素。在MIDAS之中，通常利用梁格法和板單元來計(jì)算模型，這樣得出的數(shù)值極易發(fā)生錯(cuò)誤或者偏差。因此在分析撓度與應(yīng)力時(shí)，一般利用不同的分析方式計(jì)算上文中的兩種模型，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.2分析結(jié)構(gòu)。（1）在立交橋上沒有汽車通行時(shí)，在整體結(jié)構(gòu)的自身重力作用下，對(duì)板單元進(jìn)行建?？梢缘贸鰳蛄航Y(jié)構(gòu)具有的最大位移，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在第二個(gè)跨中時(shí)，能夠得到的實(shí)際位移值為5.23毫米。對(duì)梁格法進(jìn)行建模能夠得出在受到結(jié)構(gòu)自身重力作用的情況時(shí)的位移情況和數(shù)值情況大致相同，這兩種建模方式得出的結(jié)果差距不會(huì)大于3%。（2）在其上有汽車通過時(shí)，由于受到汽車的重力第一跨時(shí)所得出的結(jié)構(gòu)受力情況發(fā)生了改變。對(duì)板單元進(jìn)行建模得知在該情況下，第一跨跨中能夠獲得最大位移。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，此時(shí)的最大位移為1.03毫米。利用梁格法建立模型能夠得出最大位移也是在第一跨的跨中，數(shù)值達(dá)到1.21毫米。（3）汽車通過時(shí)，在汽車的荷載作用下計(jì)算第二個(gè)跨跨中看到的受力情況。都板單元建立模型能夠得出該情況下結(jié)構(gòu)能夠出現(xiàn)的最大位移，同樣出現(xiàn)在第二個(gè)跨跨中，得出的位移數(shù)值為0.96毫米。梁格法得出的最大位移數(shù)值同樣在第+跨跨中，同樣為0.96毫米，兩種誤差保持在4%左右。（4）汽車通過時(shí)，對(duì)板單元進(jìn)行建模能夠得出第一、二個(gè)跨跨中時(shí)的受力，不論在板單元的建模還是梁格法的建模都能夠得知最大位移出現(xiàn)在第二個(gè)跨中，前者獲得的數(shù)值為0.64毫米，后者為0.67毫米。兩種方式所得出的數(shù)據(jù)的誤差與（3）中相同。（5）在受到偏載作用力時(shí)，梁肋1、2、3受力，第一與第+跨中的受力情況也能夠利用建立模型得知。對(duì)板單元建立模型能夠得知在此種情況下異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)的最大位移在第二個(gè)跨中，得到的數(shù)據(jù)為0.54毫米。同樣地，利用梁格法時(shí)得出的結(jié)論也同樣是最大位移出現(xiàn)在第二跨中，數(shù)據(jù)為0.56毫米。兩種建模方式得出的數(shù)據(jù)差異在4%之內(nèi)。（6）在受到偏載作用力時(shí)，梁肋4、5、6受力，第一與第二個(gè)跨中的受力情況同樣能夠利用建立模型得知。在此種情況下，兩種建模方式都能夠得出最大位移出現(xiàn)在第二跨跨中，數(shù)值分別為0.54毫米與0.56毫米，差異不差過4%。

4.結(jié)語

異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)在橫截面的作用力分布上十分不對(duì)稱，特別是橫向懸臂上，針對(duì)正應(yīng)力而言，懸臂的遠(yuǎn)端低于內(nèi)側(cè)。針對(duì)構(gòu)造而言，上文對(duì)有效橫截面的問題進(jìn)行了闡述，以平面桿為基點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果與實(shí)體分析更為接近。

異形寬箱梁空間結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁體系，其不同位置存在正、負(fù)剪力滯效應(yīng)，將懸臂部分去除，設(shè)計(jì)中腹板間距仍然沿襲常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，所以剪力滯效應(yīng)與普通的箱梁結(jié)構(gòu)基本一致。但是，由于正、負(fù)剪力滯效應(yīng)的存在，應(yīng)將預(yù)應(yīng)力的配束考慮在內(nèi)。在橋梁設(shè)計(jì)階段，如果全部按照剪力滯的分布圖進(jìn)行配束，橋梁構(gòu)造會(huì)十分復(fù)雜，所以在全橫截面的范圍內(nèi)都應(yīng)該分布一定的預(yù)應(yīng)力。