多梁式连续斜梁桥空间特性分析

多梁式连续斜梁桥空间特性分析

1桥受力特性对比斜梁桥的力学特性与正梁桥大不相同。由于斜轴的存在，它的弯曲和扭转是耦合的，结构分析变得复杂，空间特征变得明显。已有文献对简支斜梁桥受力特性的研究较多,而对多梁式连续斜梁桥的研究则很少,因此很有必要对多梁式连续斜梁桥的受力特性作深入的分析。斜度、横向联系刚度以及支承条件是影响斜梁桥受力特性的几个主要因素,本文以龙丽高速公路上某4×35m连续斜梁桥为例,分析斜度、横向联系刚度以及支承条件对斜梁桥受力特性的影响。2计算和分析2.1箱梁板放,装装设计龙丽高速公路上某连续斜梁桥上部结构采用4×35m先简支后连续预应力混凝土小箱梁,分为2幅,每辐由4片小箱梁组成,斜交角度为45°。箱梁顶板宽2.4m,底板宽1.0m,底板、腹板厚度均为0.18m,横截面布置见图1,平面布置见图2。桥面铺装采用9cm厚C40混凝土及10cm厚沥青混凝土,墩顶处设置端横梁。设计荷载为公路-Ⅰ级。2.2横向分布系数与多梁式正交梁桥一样,目前多梁式斜梁桥的实用计算方法也是先计算横向分布系数,然后按单梁计算主梁内力和变形。但由于斜梁桥很难满足影响面纵横向各截面分别相似的要求,因此斜梁桥横向分布系数的计算不能直接套用正交梁桥的计算方法。当前,国内外不少学者致力于斜梁桥横向分布系数的计算并提出了广义弹性支承连续梁法、广义刚接梁(板)法等。随着有限元法的普及,采用通用软件建立空间分析模型来计算斜梁桥,不仅简便而且可靠,因而逐渐得到推广应用。对于上述算例,本文采用MIDAS软件建立空间梁格模型,横梁与纵梁正交,横梁宽度为梁格的间距,且不计自重。2.3计算结果和分析2.3.1跨正载布置工况分别采用斜交角为0°、25°及45°三种模型来分析斜度对斜梁桥受力性能的影响。3种模型中均设置了端横梁,且考虑桥面板的作用,即横梁高度为顶板与混凝土铺装层厚度之和,支座采用弹性支承,见图3。限于篇幅,仅选择2种有代表性工况,即分别在第1跨偏载布置以及第2跨正载布置3辆300kN轴重的加载车。此时,第1跨及第2跨各片梁的跨中弯矩及挠度,以及1号墩和2号墩处的支反力见表1。由表1可见,由于斜支承的存在,斜交梁的跨中弯矩小于相同跨径的正交梁,跨中挠度也小于相同跨径的正交梁,斜度越大,弯矩及挠度的折减就越大;斜梁桥的钝角处竖向反力要大于其锐角处反力,斜度越大,二者的反力差越大;斜梁桥在支座处存在很大的扭矩,斜度越大,扭矩越大,且最大扭矩位于靠近钝角的内梁处;连续斜梁桥边墩处也存在较大(绝对值而言,下同)的负弯矩,且最大弯矩位于靠近钝角的内梁处,而次边墩处最大负弯矩的大小与正交梁的负弯矩接近。2.3.2跨重加载车结构对于斜交角为45°的模型,分别讨论桥面板参与作用与否以及端横梁设置与否,横向联系刚度对斜梁桥受力性能的影响。模型中支座均采用弹性支承。同样,在第1跨偏载布置3辆300kN轴重的加载车时,第1跨各片梁的跨中弯矩、挠度以及1号墩处的支反力见表2;在第2跨正载布置3辆300kN轴重的加载车时,第2跨各片梁的跨中弯矩、挠度以及2号墩处的支反力见表3。由表2、表3可见,考虑桥面板参与作用或者设置端横梁后,结构整体横向刚度增大。结构整体横向刚度越大,跨中弯矩及跨中挠度就越小,钝角支点附近的扭矩及剪力也就越大;而且,相对中跨而言,端横梁设置与否对边跨受力的影响更显著。从力学角度出发,一方面希望主梁纵向弯矩最小,同时也希望扭矩或支点剪力尽可能地取得最小值,因此应同时满足这2个条件来设置合理的横向刚度。2.3.3跨各片梁的受力对于斜交角为45°的模型,分别采用弹性支承及刚性支承,来分析支承条件对斜梁桥受力性能的影响。模型中均设置了端横梁,且考虑桥面板的作用。同样,在第1跨偏载布置3辆300kN轴重的加载车时,第1跨各片梁的跨中弯矩、挠度以及1号墩处的支反力见表4;在第2跨正载布置3辆300kN轴重的加载车时,第2跨各片梁的跨中弯矩、挠度以及2号墩处的支反力见表5。由表4、表5可见,跨中弯矩、挠度以及支反力对支承刚度都非常敏感,当采用刚性支承时,跨中弯矩和挠度显著减小,但支承处剪力、扭矩以及最大负弯矩也显著增大,支承处反力分布更不均匀,最大剪力和负弯矩位于钝角的边梁处,而最大扭矩位于钝角的内梁处,锐角处甚至出现竖向拉力。3斜梁桥结构布置的设计建议通过空间有限元计算,分析斜度、横向联系刚度以及支承条件等对多梁式斜梁桥受力特性的影响,可得到如下结论:(1)斜梁桥的钝角处竖向反力要大于其锐角处反力,斜度越大,二者的反力差越大;(2)斜梁桥在支座处存在很大的扭矩,斜度越大,扭矩越大,且最大扭矩位于靠近钝角的内梁处;(3)考虑桥面板参与作用或者设置端横梁后,结构整体横向刚度增大,跨中弯矩及跨中挠度就越小,钝角支点附近的扭矩及剪力也就越大;(4)跨中弯矩、挠度以及支反力对支承刚度都非常敏感,当采用刚性支承时,支承处反力分布较不均匀。鉴于以上分析结论,提出