康二川　李睿　陳志強(qiáng)

摘要： 基于橋墩蓋梁工程實(shí)例通過有限元軟件，研究蓋梁高度、橋墩支撐寬度、橋墩間距及橋墩高度的變化對(duì)蓋梁內(nèi)力影響，本文同時(shí)選取三種結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，研究雙柱墩墩頂負(fù)彎矩建模的最簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確的簡(jiǎn)化方法。分析表明：采用梁?jiǎn)卧?，然后根?jù)規(guī)范給出的公式對(duì)墩頂負(fù)彎矩進(jìn)行削峰處理，所得到的結(jié)果與實(shí)體模型對(duì)比有明顯差別，梁?jiǎn)卧姆椒ㄟ^于保守，造成資源的浪費(fèi)。

Abstract： The finite element software is applied to analyze the effect of capping beam height， piers supporting width and piers spacing and height to capping beam internal force variation. In this paper， in order to find the simplest and the most accurate modeling method of striking the negative moment on distyle pier top， we selected three calculation models， which can provide a reference for future designers.

關(guān)鍵詞： 雙柱墩蓋梁；數(shù)值模擬；內(nèi)力削峰；對(duì)比分析

Key words： double-column pier capping beam；numerical simulation；internal force shave peak；comparative analysis

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）07-0105-03

0 引言

雙柱墩蓋梁結(jié)構(gòu)已在市政道路橋梁及高速公路中廣泛使用，其具有施工工藝成熟、造型簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)。蓋梁主要承受上部結(jié)構(gòu)的恒載作用及來自主梁傳遞的活載，是橋梁重要的承重構(gòu)件[1]。蓋梁在橋梁結(jié)構(gòu)中有著舉足輕重的地位，其合理的簡(jiǎn)化計(jì)算模型和合理調(diào)整蓋梁內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果的方法，是保證蓋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵所在[2]。

蓋梁計(jì)算是橋梁工程中常見的問題，通常是采用傳統(tǒng)手算的計(jì)算方法，但手算法比較麻煩、費(fèi)時(shí)。隨著有限元技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了計(jì)算能力的提高，提高了工作效率。但要想比較準(zhǔn)確地反映蓋梁的受力狀態(tài)，應(yīng)建立空間模型。從橋梁上部到下部整體建模，雖然很多有限元軟件均可做到，但也要花費(fèi)大量時(shí)間[3-4]。趙軍[5]通過有限元軟件Midas對(duì)雙柱式蓋梁進(jìn)行整體分析，比較橋墩高度、橋墩間距和蓋梁高度對(duì)蓋梁截面內(nèi)力的影響，提供在不同受力情況下蓋梁預(yù)應(yīng)力束的合理布置的依據(jù)；李杰[6]采用“Midas Civil”，對(duì)雙柱式蓋梁按不同的四種模型進(jìn)行內(nèi)力分析，得到“優(yōu)化剛架桿系模型”建模簡(jiǎn)單，并且蓋梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與剛架空間模型更相符。但目前關(guān)于通過不同模型研究蓋梁內(nèi)力的研究較少，本文以工程上常見的雙柱式蓋梁作為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元建模的計(jì)算方法采用三個(gè)不同的模型對(duì)蓋梁內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比仿真分析。

1 結(jié)構(gòu)概況及計(jì)算模型

1.1 工程概況

本文以一個(gè)40mT梁的橋墩蓋梁為例，其橋面寬12m，橫向布置為5片T梁，橋墩采用雙柱式橋墩，柱高5m。該雙柱式橋墩結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

上部結(jié)構(gòu)T梁及附屬設(shè)施經(jīng)計(jì)算得出最不利的具體數(shù)值，如表1所列。

1.2 有限元模型

活載橫向加載的方法：蓋梁上部橫向活載在“橋面板”上加載，“橋面板”通過“支座”傳遞給蓋梁[7]。

模型一（傳統(tǒng)的建模方法）：用Midas Civil軟件，采用空間有限元計(jì)算方法對(duì)蓋梁和立柱進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，蓋梁與上部結(jié)構(gòu)連接按照實(shí)際支座個(gè)數(shù)和位置采用只受壓節(jié)點(diǎn)連接，蓋梁與墩柱連接按彈性連接中的剛性連接設(shè)置，柱低端采用固結(jié)[8]。

模型二（推薦模型）：本模型是在模型一的基礎(chǔ)上，考慮墩柱的支撐寬度對(duì)蓋梁內(nèi)力的影響，在墩柱邊緣設(shè)置兩個(gè)支撐點(diǎn)。

模型三（實(shí)體模型）：采用Midas FEA建立雙柱墩蓋梁的實(shí)體模型。上部結(jié)構(gòu)恒載在支座位置處根據(jù)實(shí)際情況加載，活荷載的加載位置，根據(jù)Midas Civil中墩頂單元產(chǎn)生最大彎矩時(shí)影響線最大等值來確定。

相比較于桿系單元模型，實(shí)體單元模型模擬出的受力情況、計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際情況，故采用模型三與模型一、二進(jìn)行比較分析。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

蓋梁是常見的鋼筋混凝土構(gòu)件，其截面設(shè)計(jì)是根據(jù)其所需承擔(dān)的彎矩設(shè)計(jì)值來選定材料、截面形式及配筋量[9]。故本文采用承載能力極限狀態(tài)下的墩頂負(fù)彎矩來比較分析。

計(jì)算結(jié)果說明： 1.2×恒載+1.4 ×公路I級(jí)汽車荷載（未計(jì)入沖擊系數(shù)），其中恒載包括蓋梁自重荷載和上部結(jié)構(gòu)恒載；實(shí)體模型梁?jiǎn)卧獌?nèi)力，根據(jù)Midas FEA局部方向內(nèi)力總和提取得到；根據(jù)規(guī)范[3]第4.2.4條，對(duì)模型一的結(jié)果取值按0.9倍的折減。

圖2是蓋梁墩頂負(fù)彎矩隨蓋梁高度變化的情況，計(jì)算時(shí)取蓋梁高度從1.1～2.0m之間變化取值。從圖中可以看出，模型一墩頂負(fù)彎矩值，隨蓋梁高度變化而增加且變化趨勢(shì)明顯；模型二和模型三隨蓋梁高度變化而增加且二者變化趨勢(shì)基本一致。

圖3是蓋梁墩頂負(fù)彎矩隨橋墩間距變化的情況。取橋墩間距從6.1～7.0m之間變化取值。從圖中可以看出，模型一墩頂負(fù)彎矩值，隨橋墩間距變化而增加；模型二和模型三墩頂負(fù)彎矩值，隨橋墩間距變化而減小，這是由于蓋梁懸臂處上部結(jié)構(gòu)恒載對(duì)墩頂負(fù)彎矩值貢獻(xiàn)較大造成的。

圖4是蓋梁墩頂負(fù)彎矩隨墩柱長(zhǎng)度變化的情況。取橋墩間距從1～10m之間變化取值。從圖中可以看出，模型一墩頂負(fù)彎矩值，隨墩柱長(zhǎng)度變化而簡(jiǎn)減??；模型二和模型三變墩頂負(fù)彎矩值，隨橋墩間距變化而基本保持不變，這是由于墩柱長(zhǎng)度對(duì)蓋梁墩頂負(fù)彎矩的值影響不大。

圖5是蓋梁墩頂負(fù)彎矩隨墩柱直徑變化的情況。取墩柱直徑從1.1～2.0m之間變化取值。從圖中可以看出，模型一墩頂負(fù)彎矩值，隨墩柱直徑變化而增加且趨勢(shì)不明顯；模型二和模型三變墩頂負(fù)彎矩值，隨墩柱直徑變化而減小且趨勢(shì)明顯，這是由于模型一采用桿系單元建模，不考慮墩柱支撐寬度造成的。

由圖2～5中所示可以知道：模型一所得蓋梁墩頂負(fù)彎矩值比其它兩種結(jié)果明顯偏大；蓋梁墩頂負(fù)彎矩隨著蓋梁高度和墩柱長(zhǎng)度的增加而增加，但變化值不明顯；蓋梁墩頂負(fù)彎矩隨著墩柱間距和橋墩直徑增加而下降，由于懸臂端支座位置的影響造成的，變化是合理的。

3 結(jié)語

通過對(duì)蓋梁控制截面內(nèi)力的影響因素分析及工程實(shí)例分析，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①采用在蓋梁上建“橋面板”，再在“橋面板”上加載橫向活載的方法，計(jì)算不僅省去了計(jì)算活載橫向分布系數(shù)的過程，且結(jié)果滿足工程精度的要求，值得推廣應(yīng)用。

②采用梁?jiǎn)卧＃缓蟾鶕?jù)規(guī)范給出的方法對(duì)墩頂負(fù)彎矩進(jìn)行削峰處理，所得到的結(jié)果與實(shí)體模型對(duì)比有明顯差別，梁?jiǎn)卧姆椒ㄟ^于保守，造成資源的浪費(fèi)。

③規(guī)范給出的方法不適用于墩柱支撐寬度過大的情況，建議給出墩柱支撐寬度過大時(shí)更合理的計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)：

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[9]徐成祥，何培玲.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.