國內(nèi)墩臺蓋梁計(jì)算綜述

國內(nèi)墩臺蓋梁計(jì)算綜述

蓋梁是連接橋的上部和下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分。另一方面，頂部的負(fù)荷通過平臺基礎(chǔ)傳輸。另一方面，蓋梁本身也承受著來自外部的負(fù)荷。由于跨徑、斜度、橋?qū)挕⒌刭|(zhì)、橋墩間距、車輛荷載等級及布載方式等因素的不同,使得蓋梁配筋很難完全套用標(biāo)準(zhǔn)圖和通用圖,往往需要對蓋梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。目前蓋梁計(jì)算理論主要有以下幾種。1傳統(tǒng)護(hù)岸法的計(jì)算1.1節(jié)點(diǎn)不均衡彎矩分配JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:雙柱式橋墩,當(dāng)蓋梁的剛度與墩柱的線剛度比大于5時(shí),為簡化計(jì)算可以忽略節(jié)點(diǎn)不均衡彎矩的分配及傳遞,一般可按簡支梁或懸臂梁進(jìn)行計(jì)算和配筋,多柱式的蓋梁可按連續(xù)梁計(jì)算,當(dāng)蓋梁計(jì)算跨徑L與梁高h(yuǎn)之比,簡支梁2.0<L/h≤5.0,連續(xù)梁或剛構(gòu)2.5<L/h≤5.0,應(yīng)按深受彎構(gòu)件計(jì)算;L/h≥5.0時(shí),則按一般構(gòu)件計(jì)算。1.2預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁有限元分析恒載主要包括上部一期、二期恒載及蓋梁自重等,活載計(jì)算則需考慮橫橋向和縱橋向的不同布置,取其最不利情況,確定蓋梁最終極限內(nèi)力效應(yīng)值。需要說明的是,在蓋梁內(nèi)力計(jì)算時(shí),可考慮樁柱支承寬度對削減負(fù)彎矩尖峰的影響。橋梁通軟件的蓋梁計(jì)算原理同傳統(tǒng)的計(jì)算方法基本一致,新版的橋梁通軟件設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自身不同的工況來進(jìn)行計(jì)算。對于普通鋼筋混凝土蓋梁可直接采用橋梁通軟件進(jìn)行蓋梁內(nèi)力計(jì)算及構(gòu)件驗(yàn)算,預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁可借助橋梁通軟件獲取蓋梁上支座反力,然后利用其它有限元軟件進(jìn)行受力分析。需要說明的是,正常計(jì)算中橋梁通程序默認(rèn)是把上部荷載按每片梁中心位置加載到蓋梁上,而實(shí)際情況是上部荷載通過支座傳到下部結(jié)構(gòu),這就使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定誤差,對誤差的分析將在后面以工程實(shí)例進(jìn)行分析。2單元剛度矩陣有限元平面桿系單元分析理論。簡化計(jì)算模型中,采用平面梁單元有限元法,每個單元有i、j兩個結(jié)點(diǎn),每一結(jié)點(diǎn)有U、V、H三個自由度。對于一般空間梁單元,每結(jié)點(diǎn)有6個自由度,其單元剛度矩陣為12×12的方陣。而平面梁單元每個結(jié)點(diǎn)有3個自由度,其單元剛度矩陣為6×6的方陣,平面單元要比空間單元計(jì)算量要少得多,計(jì)算速度快得多。利用平面單元進(jìn)行蓋梁計(jì)算一般采用橋梁博士進(jìn)行蓋梁計(jì)算,其計(jì)算原理為:提取縱橋向車道荷載作用下的支座反力,將其等效為汽車荷載,利用橋梁博士的橫向加載功能進(jìn)行分析計(jì)算。需要注意的是這種方法有一定的局限性,比如對于現(xiàn)澆箱梁下蓋梁的計(jì)算則有不盡合理之處。3蓋梁的計(jì)算方法有限元全橋空間模型就是通過空間有限元把上部結(jié)構(gòu)及蓋梁全部建立出來,按車道進(jìn)行橫向布載,進(jìn)而進(jìn)行蓋梁計(jì)算分析。設(shè)計(jì)計(jì)算中常Midas建立空間模型,通過比較符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行蓋梁受力分析。蓋梁在計(jì)算時(shí)存在較多假設(shè),為了較好地分析一些特殊形式蓋梁的受力特性,有時(shí)需要進(jìn)行一些空間實(shí)體分析。實(shí)際上,蓋梁的計(jì)算過程就是如何準(zhǔn)確地獲取若干組控制反力的過程?，F(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例對普通鋼筋混凝土蓋梁進(jìn)行計(jì)算分析。4模型計(jì)算結(jié)果分析內(nèi)蒙古自治區(qū)滿洲里市某公路橋橋墩蓋梁尺寸如圖1所示,主橋?qū)?0m,雙向四車道布置,設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級,上部結(jié)構(gòu)采用15塊20m板梁,蓋梁長19.24m,寬1.4m。橋梁通軟件計(jì)算所得彎矩和剪力包絡(luò)圖見圖1。按蓋梁實(shí)際受力計(jì)算所得彎矩包絡(luò)圖和剪力包絡(luò)圖見圖2,本次計(jì)算均考慮樁柱支承寬度對削減負(fù)彎矩尖峰的影響,0.9倍消峰。計(jì)算結(jié)果對比見表1,裂縫配筋對應(yīng)彎矩包絡(luò)圖與與強(qiáng)度配筋類似,此處不再重復(fù)闡述。從表1數(shù)據(jù)可以看出,兩種計(jì)算方法得到的中墩、邊墩和跨中彎矩相差很小,彎矩差值分別為70、-16和62kN.m,模型計(jì)算結(jié)果比實(shí)際受力計(jì)算結(jié)果大2.8%、-0.7%和2.8%。造成這種現(xiàn)象的原因是結(jié)構(gòu)上部為奇數(shù)片梁,在計(jì)算模型中,有一集中力正對中墩中心,而實(shí)際結(jié)構(gòu)中中墩中心處蓋梁并不直接受力,傳遞上部集中力的支座對稱中心布置,這就使得中墩實(shí)際要多受一個支座的集中力,其計(jì)算的彎矩包絡(luò)圖對應(yīng)要大一些。加載位置的不同使得截面彎矩值必然要偏離實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。同樣在邊墩支點(diǎn)處,因?yàn)閮煞N計(jì)算模型集中力加載位置的不同,車輛偏載加載時(shí)使得每個支座分配的集中力不一樣,也使得支點(diǎn)處彎矩不一樣。再看剪力,兩個計(jì)算結(jié)果剪力差值較大,中墩、邊墩處剪力差值分別為-400kN和-99kN,究其原因,也是由于車輛偏載加載時(shí),在計(jì)算模型中是把一片梁兩個支座的支反力簡化成一個集中力,僅考慮梁與梁之間的橫向分布,而實(shí)際上,偏載時(shí)每片梁上支座所分配的集中力大小并不一致,使得兩種計(jì)算方法所得到剪力變化位置和大小不一樣,也使得剪力計(jì)算結(jié)果差值較大。假設(shè)設(shè)計(jì)抗剪鋼筋直徑為28mm,考慮剪力分配,按照橋梁通計(jì)算模型計(jì)算得到中墩處需抗剪鋼筋10根,而按實(shí)際受力計(jì)算需抗剪鋼筋12根。但是,橋梁通在蓋梁配筋設(shè)計(jì)時(shí),一般取彎起鋼筋容許承擔(dān)的最大剪力分配系數(shù)為0.4,而在新規(guī)范和配筋設(shè)計(jì)時(shí),常通過加粗箍筋直徑、加密箍筋間距、提高蓋梁混凝土標(biāo)號來減少彎筋承擔(dān)的剪力,也使得彎筋實(shí)際承擔(dān)的剪力≤0.4Qj。這樣也使得橋梁通計(jì)算得到的數(shù)據(jù)偏于保守,留有一定的富余量,配筋結(jié)果滿足實(shí)際受力要求,結(jié)構(gòu)上也偏于安全。5計(jì)算結(jié)果對比分析前撫鐵路某公路立交橋,主橋設(shè)計(jì)車行道寬7m,兩側(cè)分別為0.5m防撞墻,全寬8m,上部結(jié)構(gòu)為6塊20m板梁,雙柱式橋墩,蓋梁長8m,寬1.4m。設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅱ級,上部恒載重:邊板612kN,中板432kN,兩種情況建模計(jì)算所得彎矩包絡(luò)圖和剪力包絡(luò)圖從略,計(jì)算結(jié)果對比分析見表2。從表2數(shù)據(jù)可以看出,兩種計(jì)算方法得到跨中正彎矩一致,支點(diǎn)負(fù)彎矩相差不大,模型計(jì)算結(jié)果比實(shí)際受力結(jié)果約小2%,剪力差值較大,支點(diǎn)處最大剪力差23%。由于主梁片數(shù)為偶數(shù)片梁,跨中處沒有集中力,跨中彎矩在計(jì)算模型和實(shí)際受力中都有類似削峰的處理。支點(diǎn)、跨中處剪力因兩種計(jì)算模型集中力加載位置的不同,以及車輛偏載加載每個支座分配的集中力不一樣,使得兩個計(jì)算結(jié)果差值較大。若抗剪鋼筋以直徑為28mm計(jì),考慮剪力分配,計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果所得支點(diǎn)處需抗剪鋼筋8根,而實(shí)際受力計(jì)算所需抗剪鋼筋需7根。6橋梁有限元分析的適用性(1)目前蓋梁計(jì)算方法有很多種,蓋梁因其結(jié)構(gòu)的特殊性,其受力情況也較復(fù)雜。蓋梁根據(jù)不同的情況,可以以簡支梁、懸臂梁、連續(xù)梁、剛架及深受彎構(gòu)件等結(jié)構(gòu)形式分別進(jìn)行計(jì)算,也可以建模進(jìn)行平面桿系結(jié)構(gòu)和空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。對于一般中小橋梁而言,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)蓋梁,采用橋梁通軟件進(jìn)行計(jì)算,較傳統(tǒng)手算和有限元分析方便快捷,計(jì)算結(jié)果也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,滿足工程實(shí)際需要。(2)分析表明,由于橋梁通軟件計(jì)算模型與實(shí)際受力存在一些不同,因?yàn)橹髁浩瑪?shù)