国内墩台盖梁计算综述

国内墩台盖梁计算综述

盖梁是连接桥的上部和下部结构的重要组成部分。另一方面，顶部的负荷通过平台基础传输。另一方面，盖梁本身也承受着来自外部的负荷。由于跨径、斜度、桥宽、地质、桥墩间距、车辆荷载等级及布载方式等因素的不同,使得盖梁配筋很难完全套用标准图和通用图,往往需要对盖梁进行内力计算。目前盖梁计算理论主要有以下几种。1传统护岸法的计算1.1节点不均衡弯矩分配JTGD62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定:双柱式桥墩,当盖梁的刚度与墩柱的线刚度比大于5时,为简化计算可以忽略节点不均衡弯矩的分配及传递,一般可按简支梁或悬臂梁进行计算和配筋,多柱式的盖梁可按连续梁计算,当盖梁计算跨径L与梁高h之比,简支梁2.0<L/h≤5.0,连续梁或刚构2.5<L/h≤5.0,应按深受弯构件计算;L/h≥5.0时,则按一般构件计算。1.2预应力混凝土盖梁有限元分析恒载主要包括上部一期、二期恒载及盖梁自重等,活载计算则需考虑横桥向和纵桥向的不同布置,取其最不利情况,确定盖梁最终极限内力效应值。需要说明的是,在盖梁内力计算时,可考虑桩柱支承宽度对削减负弯矩尖峰的影响。桥梁通软件的盖梁计算原理同传统的计算方法基本一致,新版的桥梁通软件设计者可以根据自身不同的工况来进行计算。对于普通钢筋混凝土盖梁可直接采用桥梁通软件进行盖梁内力计算及构件验算,预应力混凝土盖梁可借助桥梁通软件获取盖梁上支座反力,然后利用其它有限元软件进行受力分析。需要说明的是,正常计算中桥梁通程序默认是把上部荷载按每片梁中心位置加载到盖梁上,而实际情况是上部荷载通过支座传到下部结构,这就使得计算结果与实际结果有一定误差,对误差的分析将在后面以工程实例进行分析。2单元刚度矩阵有限元平面杆系单元分析理论。简化计算模型中,采用平面梁单元有限元法,每个单元有i、j两个结点,每一结点有U、V、H三个自由度。对于一般空间梁单元,每结点有6个自由度,其单元刚度矩阵为12×12的方阵。而平面梁单元每个结点有3个自由度,其单元刚度矩阵为6×6的方阵,平面单元要比空间单元计算量要少得多,计算速度快得多。利用平面单元进行盖梁计算一般采用桥梁博士进行盖梁计算,其计算原理为:提取纵桥向车道荷载作用下的支座反力,将其等效为汽车荷载,利用桥梁博士的横向加载功能进行分析计算。需要注意的是这种方法有一定的局限性,比如对于现浇箱梁下盖梁的计算则有不尽合理之处。3盖梁的计算方法有限元全桥空间模型就是通过空间有限元把上部结构及盖梁全部建立出来,按车道进行横向布载,进而进行盖梁计算分析。设计计算中常Midas建立空间模型,通过比较符合实际结构的模型进行盖梁受力分析。盖梁在计算时存在较多假设,为了较好地分析一些特殊形式盖梁的受力特性,有时需要进行一些空间实体分析。实际上,盖梁的计算过程就是如何准确地获取若干组控制反力的过程。现结合工程实例对普通钢筋混凝土盖梁进行计算分析。4模型计算结果分析内蒙古自治区满洲里市某公路桥桥墩盖梁尺寸如图1所示,主桥宽20m,双向四车道布置,设计荷载为公路Ⅰ级,上部结构采用15块20m板梁,盖梁长19.24m,宽1.4m。桥梁通软件计算所得弯矩和剪力包络图见图1。按盖梁实际受力计算所得弯矩包络图和剪力包络图见图2,本次计算均考虑桩柱支承宽度对削减负弯矩尖峰的影响,0.9倍消峰。计算结果对比见表1,裂缝配筋对应弯矩包络图与与强度配筋类似,此处不再重复阐述。从表1数据可以看出,两种计算方法得到的中墩、边墩和跨中弯矩相差很小,弯矩差值分别为70、-16和62kN.m,模型计算结果比实际受力计算结果大2.8%、-0.7%和2.8%。造成这种现象的原因是结构上部为奇数片梁,在计算模型中,有一集中力正对中墩中心,而实际结构中中墩中心处盖梁并不直接受力,传递上部集中力的支座对称中心布置,这就使得中墩实际要多受一个支座的集中力,其计算的弯矩包络图对应要大一些。加载位置的不同使得截面弯矩值必然要偏离实际结构的受力状态。同样在边墩支点处,因为两种计算模型集中力加载位置的不同,车辆偏载加载时使得每个支座分配的集中力不一样,也使得支点处弯矩不一样。再看剪力,两个计算结果剪力差值较大,中墩、边墩处剪力差值分别为-400kN和-99kN,究其原因,也是由于车辆偏载加载时,在计算模型中是把一片梁两个支座的支反力简化成一个集中力,仅考虑梁与梁之间的横向分布,而实际上,偏载时每片梁上支座所分配的集中力大小并不一致,使得两种计算方法所得到剪力变化位置和大小不一样,也使得剪力计算结果差值较大。假设设计抗剪钢筋直径为28mm,考虑剪力分配,按照桥梁通计算模型计算得到中墩处需抗剪钢筋10根,而按实际受力计算需抗剪钢筋12根。但是,桥梁通在盖梁配筋设计时,一般取弯起钢筋容许承担的最大剪力分配系数为0.4,而在新规范和配筋设计时,常通过加粗箍筋直径、加密箍筋间距、提高盖梁混凝土标号来减少弯筋承担的剪力,也使得弯筋实际承担的剪力≤0.4Qj。这样也使得桥梁通计算得到的数据偏于保守,留有一定的富余量,配筋结果满足实际受力要求,结构上也偏于安全。5计算结果对比分析前抚铁路某公路立交桥,主桥设计车行道宽7m,两侧分别为0.5m防撞墙,全宽8m,上部结构为6块20m板梁,双柱式桥墩,盖梁长8m,宽1.4m。设计荷载为公路Ⅱ级,上部恒载重:边板612kN,中板432kN,两种情况建模计算所得弯矩包络图和剪力包络图从略,计算结果对比分析见表2。从表2数据可以看出,两种计算方法得到跨中正弯矩一致,支点负弯矩相差不大,模型计算结果比实际受力结果约小2%,剪力差值较大,支点处最大剪力差23%。由于主梁片数为偶数片梁,跨中处没有集中力,跨中弯矩在计算模型和实际受力中都有类似削峰的处理。支点、跨中处剪力因两种计算模型集中力加载位置的不同,以及车辆偏载加载每个支座分配的集中力不一样,使得两个计算结果差值较大。若抗剪钢筋以直径为28mm计,考虑剪力分配,计算模型计算结果所得支点处需抗剪钢筋8根,而实际受力计算所需抗剪钢筋需7根。6桥梁有限元分析的适用性(1)目前盖梁计算方法有很多种,盖梁因其结构的特殊性,其受力情况也较复杂。盖梁根据不同的情况,可以以简支梁、悬臂梁、连续梁、刚架及深受弯构件等结构形式分别进行计算,也可以建模进行平面杆系结构和空间杆系结构进行计算。对于一般中小桥梁而言,钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构盖梁,采用桥梁通软件进行计算,较传统手算和有限元分析方便快捷,计算结果也能达到设计要求,满足工程实际需要。(2)分析表明,由于桥梁通软件计算模型与实际受力存在一些不同,因为主梁片数