对比分析斜交桥梁空间计算模型

刘贵平

(贵州省交通科学研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550008)



对比分析斜交桥梁空间计算模型

刘贵平

(贵州省交通科学研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550008)

针对斜交桥梁工程计算，结合实例，在简单介绍几种桥梁常用空间计算模型的基础上，分别采用实体单元模型与空间梁格单元模型对斜交桥梁实施空间计算，提出各计算模型应用的要点，并通过对比分析，得出空间梁格单元模型能很好反映出斜交桥受力情况，但要注意剔除由预应力直接引发的边肋平面外弯矩的结论，旨在为类似斜交桥的工程计算工作提供可靠的依据和参考。

斜交桥；空间计算模型；实体单元模型；空间梁格单元模型；对比分析

1 斜交桥梁概况

此次研究的主要对象为一座6跨的预应力混凝土连续梁斜交桥，桥跨实际布置情况为：18+20+3×25+22(m)连续箱梁，墩号17～23号，3×25跨斜交约27°，分别在19、20、21、22号墩上设置支座。于19号墩上布置一个固定支座，也就是支座7，其它墩桥布置活动支座，活动方向根据实际要求妥善选取。该斜交桥选用单箱三室等截面箱形梁结构，铅垂中心线上的梁高为1.4 m，箱梁顶部宽度为16.5 m，底端宽度为11.8 m，桥梁表面呈2°左右的横坡。箱梁的跨间位置上未设置横隔板，只是在支点位置上布设横梁。在箱梁的纵向方向上，使用了预应力结构，横向未设置。预应力类型为传统腹板束。桥面双向三车道，拟定荷载情况为：汽—超20，挂车—120，根据该桥实际情况对两种空间计算模型进行对比分析。

2 空间计算模型

2.1 斜交桥实体单元模型

运用有限元计算软件ANSYS模拟实体单元模型。混凝土的模拟选用solid45单元，预应力筋束的模拟选用link8单元，以降温为主要手段对预应力进行施加。离散的最终结果为1.68×105个单元，其中混凝土的梁体单元占比93.45%，约为1.57×105个，预应力筋束的梁体单元占比6.55%，约为1.1×104个。

2.2 斜交桥空间梁格模型

梁格法对于模型的要求较为特殊，可归纳为等效性，即为实际结构与模型荷载一致时，二者实际挠曲必须相等，而且梁格模型内力还要和结构内力完全相同。然而，由于梁格模型体系与实体结构存在一定差异，这种等效性要求很难在实际情况中实现，可采取近似模拟的方法解决这样的问题，由此可见，可以将梁格法理解成一种基于近似模拟的空间计算方法。为进一步提升梁格模型准确度，在对梁格进行划分的过程中，应充分考虑以下影响因素：

(1) 梁体在受弯过程中，截面实际上是围绕相同中性轴进行弯曲的，因此各不同中性轴之间应保持良好的位置关系。

(2) 杆件需要和梁肋对应中心线完全重合，确保腹板上的剪应力直接由梁格构件承担。

(3) 为确保荷载静力分布具有足够的灵敏度，横向杆件之间的距离应得到严格的控制，通常要保持在纵向间距限度之内。

充分考虑上述因素，模拟时先进行离散处理，将箱梁的纵向等分成四种梁肋。为确保计算准确无误，每一个梁肋都需按照规则离散成一定数量的空间单元，单元实际长度不得超出0.5 m，然后根据空间单元数量在跨间设置横梁，进而对横向的桥面体系进行模拟，相邻两个横梁之间的距离需严格控制在1.0 m，支座横梁按照实际空间结构完成建模，同样需要进行离散处理。通过以上处理，全结构被划分成2 789个空间单元。

3 计算结果与对比分析

3.1 自重荷载对比

在考虑自重荷载的情况下，对两种空间计算模型实施对比，结果如图1所示。由图1可知，在自重荷载的作用下，两模型的空间计算结果基本吻合，但跨中与支座位置的梁格计算结果稍大，但在容许范围之内。

图1 自重荷载作用下模型对比结果

3.2 预应力对比

预应力施加完毕以后，两种模型的应力计算结果基本吻合。但斜支座周边比其余位置稍差，主要因为梁格法在处理截面时会产生少许近似误差，不会对最终结果造成较大影响。

在运用梁格法实施空间计算的过程中，应注意剔除由预应力直接引发的边肋平面外弯矩。从箱梁整体截面的角度讲，预应力筋的布置是完全对称的，对梁格进行划分以后，边肋的截面会变成非对称的形式，若此时按照原设计方案对预应力筋进行布置，则会产生一定平面外弯矩，与真实受力存在差异，所以必须在分析过程中将其完全剔除。弯矩剔除后，梁格模型即可十分准确的反映出实体模型，而如果没有完全剔除，会造成较大的应力偏差，因此，在空间计算模拟的过程中，需对此引起足够的重视。

4 结 论

(1)梁格法能很好的反映出斜交桥的受力情况，空间计算结果和模型基本吻合，而且建模的过程也十分简便，具有较高的应用与推广价值。

(2)在运用梁格法进行建模的过程中，单元划分必须科学合理，保证经过离散处理后的模型满足等效性要求，横向梁格之间的距离应得到严格的控制，如果具备较好的硬件实力，可进一步细化单元划分，以有效提升空间计算的准确度。

(3)在施加预应力的过程中，梁格模型会产生一定平面外弯矩，若未进行有效处理，会对计算结果造成严重的影响，因此在后续分析过程中，必须将这一部分弯矩剔除，以保证计算结果的真实性和准确度。

[1] 陈水福,唐锦春.斜交桥梁空间计算模型对比分析[J].中国市政工程,2006,(3):13-15，91.

[2] 徐晓龙,杨骊先,孙炳楠. 斜交预应力混凝土板梁桥的计算模型与试验研究[J]. 中国市政工程,2006,(5):28-30，94.

2016-03-11

刘贵平(1986-)，贵州仁怀人，助理工程师，研究方向：交通检测。

U442

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1008-3383(2016)07-0133-01