某轻轨高架桥两种计算结果的对比分析

某轻轨高架桥两种计算结果的对比分析

摘要:结合工程实例,对槽形梁用手算和电算两种方法进行了分析,并对两种计算结果进行了比较分析,总结了两种方法的优缺点,提出了手算需改进的方案,为今后槽形梁桥的设计计算提供了参考依据。

关键词:槽形梁,预应力体系,轻轨高架桥,结构设计

1工程简介

天津地铁1号线经过地区地处海河冲击平原上,地形平坦,沿线地层简单,第四系地层发育广泛。地层分布从上到下依次是人工堆积层、新近沉积层、上部陆相层、第一海相层、中上部还相层、上部及中上部地层广泛沉积有十几米厚的软土。

因槽形梁具有建筑高度低;受力结构满足功能之需;改善建筑外观;隔噪声;两边墙可防止脱轨与翻车;造型轻巧美观等优点。故文中设想如将地铁1号线的高架段设计为槽形梁桥可能更有优势,文中取90m的区间长度设计,在该区间采用3×30m三跨简支预应力槽形梁方案。

2主要技术标准

1)线路:双线、线间距(全为直线段),平坡;2)车辆:电力牵引、第三轨受力、设计最高行车速度80km/h,轨距1425mm,轴重14t;3)桥下净空:跨越城市主干道不小于5m,其他次干道不小于;4)地震设防烈度:天津地区按8度考虑;5)设计荷载:结构自重、桥面二期恒载按65kN/m计;列车荷载按六节车辆编组设计,重车轴重140kN,空车轴重70kN;人行道活载按计;温度力按顶板升温5℃及梁体内外温差10℃计。

3桥体结构设计

梁体设计

梁体构造

梁截面采用等高度双线整体式预应力混凝土槽形梁,采用向外倾斜约70°的斜墙式“T”型断面(见图1)。腹板厚端部范围内55cm,跨中至梁端范围内35cm厚;端部端横梁可增加桥梁末端半框架横向刚度,减少道床板横向弯矩及桥梁支点截面横向挠度,截面采用高,宽的矩形截面。

梁体预应力体系

采用三向预应力体系,纵向为5-7Φ5钢绞线,全截面共34束。横向为5-7Φ5钢绞线,间距。锚具采用OVM及其配套的支承垫板,管道用金属波纹管成孔。钢绞线为标准强度1860MPa的高强低松弛钢绞线。竖向采用Φ28的45SiMnV光圆冷拉Ⅳ级粗钢筋,布于腹板中部,间距,与横向钢丝束间隔布置。端横梁预应力体系也采用5-7Φ5钢绞线,间距。

梁体施工

槽形梁为开口截面,且需配三向预应力筋,因此对构件制作精度要求高。本桥采用工地现场预制,后用运梁车在线上运输到位,再采用架桥机或龙门吊吊装就位的施工方法。

桥墩及基础设计

桥墩采用T型墩,因其具有受力合理、占地面积小、结构轻巧美观、线条流畅、满足桥下行车要求等优点。基础采用钻孔灌注桩,桩径,桩长34m,以使其承载在承载力较高的密实粉质粘土上。

4梁体结构内力计算分析

手工计算分析

手工计算是根据影响线法并利用结构力学求解器辅助计算,从而求得梁体内力(手工计算温度荷载较复杂,因此手算未考虑温度荷载组合)。

主梁内力包络图(见图2)

道床板内力计算

道床板计算跨度B取两主梁腹板中线与道床板中面交点间距离,取1m板宽计算。先利用材料力学方法求得荷载引起的简支梁跨中弯矩M0及固端梁支点负弯矩M1,则道床板跨中弯矩

支点负弯矩My1=;支点正弯矩My2=。

端横梁内力计算

端横梁承受荷载见图3阴影中所示范围。先求得简支梁跨中弯矩M0,则端横梁跨中弯矩Mk=M0;支点负弯矩M+z=;正弯矩M-z=-。

电算分析

由于槽形梁的主梁翼缘、腹板及道床板厚度与梁体表面尺寸相比小得多,可近似把槽形梁视为空间折板的薄壳结构,并离散成由有限个薄壳单元组成的结构物。该槽形主梁电算分析采用的是薄壳结构有限单元法,用MIDAS软件进行计算分析。

截面换算原则

截面主要外形尺寸及板厚不变;主梁中和轴位置基本不变;腹板截面面积及中面倾角不变;梁上、下翼缘板截面面积基本不变;梁截面沿X,Y方向的惯性矩Ix,Iy基本不变。另外,为保证计算精度,在下转折点外增设一单元(添加单元,见图4)。

MIDAS建模及离散化

依据如图4所示截面,在MIDAS中建型,并划分单元。该槽形梁纵向划分15个单元,横向划分20个单元,为保证模型符合实际结构,模型两端增设了端横梁单元。

槽形梁模型采用四点支撑,约束条件分别是:固定支座;纵向固定、横向活动的支座;横向固定、纵向活动的支座;双向活动支座。

5两种计算结果对比分析

槽形梁在荷载作用下不仅会发生双向弯曲和扭转,且由于共同工作还会引起拉伸变形。腹板处的单元则受法向力、剪切和扭、弯共同作用,其比一般上承式梁的工作状态要复杂。

两种计算结果比较

两种计算结果对比后发现,横向弯矩值主要存在以下差别:1)自重荷载作用下:手算较电算结果大,跨中相差约%;角隅处正弯矩相差约%,负弯矩相差约%。2)二期恒载作用下:两结果相差不大,约为%。3)列车活载作用下:手算较电算结果大,跨中相差约%;角隅处相差约%。4)荷载组合作用下(自重+二期恒载+列车活载):手算较电算结果大,跨中相差约%;角隅处相差约%。5)电算可将温度力考虑进去,手算不行。6)横向弯矩值沿梁长方向变化趋势不同。电算中:弯矩值沿梁长向呈曲线变化,跨中最大,向两端逐渐变小,且端部约为跨中的1/2;在结构跨中到距端部约1/5梁长范围内弯矩值变化较缓,其余地方变化快。手算道床板横向弯矩时,取单位板宽计算,且全跨范围内都采用该值,即认为横向弯矩沿梁长不变,且该值与电算的跨中弯矩值接近,由此知手算结果偏于保守。

存在差距的原因分析

1)电算分析中可将结构的整体作用考虑进去;而手算时不能体现这种共同作用,也就导致计算结果偏大。2)分析列车活载时,手算时对列车荷载在道床板上的分布宽度采用双线轨道间的距离,而实际上轨道外一定宽度范围内的板也受影响;电算时体现的正是这种相邻板单元间的相互作用。3)在电算分析中,结构跨中部分的板单元受到周围单元的约束,而端部的板单元则受到支座与端横梁的约束,由于两种约束不同,横向弯矩值沿梁长的变化趋势也就不同。4)由于软件本身的特点,使得电算对结构角隅处的分析结果不理想,也就导致两种结果在角隅处有出入。

总结

两种方法各有优缺点,电算的关键在于建立一个与实际接近的模型;有条件应采用多个软件进行分析,从而找出最理想的分析软件。

手算的关键在于所依据的理论是否可靠,采用的设计计算方法是否可行。由于槽形梁构造复杂,理论研究不成熟,目前建成的实例也少,因此可参考的资料就非常少,本设计中所依据的理论,经对比后发现其还有以下不足之处:1)计算道床板内力时,取单位板宽计算,梁全长范围都采用该值。由电算结果知,道床板端部内力只是跨中的1/2。因此,手算结果偏保守,如利用该结果进行配筋设计,会导致增加钢材用量,浪费材料。2)槽形梁实际上是一种梁、板组合的空间整体结构,而角隅部分又是梁、板的连接处,故应在实验及理论方面加强对角隅部分的研究。设计计算中也应加强角隅部分的设计,并进行相关验算。

6结语

文中将天津地铁1号线高架段设计为简支预应力槽形梁桥。并对梁体用两种方法进行了计算分析。主梁和端横梁部分主要用手算进行;道床板部分采用手算和电算结合。电算主要用来与手算结果作对比分析,从而找出手算所依理论的不足及今后需改进的地方,为今后槽形梁桥的设计计算提供参考。

参考文献:

[1]胡匡璋.槽形梁[M].