國內墩臺蓋梁計算綜述

蓋梁是連接橋的上部和下部結構的重要組成部分。另一方面，頂部的負荷通過平臺基礎傳輸。另一方面，蓋梁本身也承受著來自外部的負荷。由于跨徑、斜度、橋寬、地質、橋墩間距、車輛荷載等級及布載方式等因素的不同,使得蓋梁配筋很難完全套用標準圖和通用圖,往往需要對蓋梁進行內力計算。目前蓋梁計算理論主要有以下幾種。1傳統護岸法的計算1.1節點不均衡彎矩分配JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》規定:雙柱式橋墩,當蓋梁的剛度與墩柱的線剛度比大于5時,為簡化計算可以忽略節點不均衡彎矩的分配及傳遞,一般可按簡支梁或懸臂梁進行計算和配筋,多柱式的蓋梁可按連續梁計算,當蓋梁計算跨徑L與梁高h之比,簡支梁2.0<L/h≤5.0,連續梁或剛構2.5<L/h≤5.0,應按深受彎構件計算;L/h≥5.0時,則按一般構件計算。1.2預應力混凝土蓋梁有限元分析恒載主要包括上部一期、二期恒載及蓋梁自重等,活載計算則需考慮橫橋向和縱橋向的不同布置,取其最不利情況,確定蓋梁最終極限內力效應值。需要說明的是,在蓋梁內力計算時,可考慮樁柱支承寬度對削減負彎矩尖峰的影響。橋梁通軟件的蓋梁計算原理同傳統的計算方法基本一致,新版的橋梁通軟件設計者可以根據自身不同的工況來進行計算。對于普通鋼筋混凝土蓋梁可直接采用橋梁通軟件進行蓋梁內力計算及構件驗算,預應力混凝土蓋梁可借助橋梁通軟件獲取蓋梁上支座反力,然后利用其它有限元軟件進行受力分析。需要說明的是,正常計算中橋梁通程序默認是把上部荷載按每片梁中心位置加載到蓋梁上,而實際情況是上部荷載通過支座傳到下部結構,這就使得計算結果與實際結果有一定誤差,對誤差的分析將在后面以工程實例進行分析。2單元剛度矩陣有限元平面桿系單元分析理論。簡化計算模型中,采用平面梁單元有限元法,每個單元有i、j兩個結點,每一結點有U、V、H三個自由度。對于一般空間梁單元,每結點有6個自由度,其單元剛度矩陣為12×12的方陣。而平面梁單元每個結點有3個自由度,其單元剛度矩陣為6×6的方陣,平面單元要比空間單元計算量要少得多,計算速度快得多。利用平面單元進行蓋梁計算一般采用橋梁博士進行蓋梁計算,其計算原理為:提取縱橋向車道荷載作用下的支座反力,將其等效為汽車荷載,利用橋梁博士的橫向加載功能進行分析計算。需要注意的是這種方法有一定的局限性,比如對于現澆箱梁下蓋梁的計算則有不盡合理之處。3蓋梁的計算方法有限元全橋空間模型就是通過空間有限元把上部結構及蓋梁全部建立出來,按車道進行橫向布載,進而進行蓋梁計算分析。設計計算中常Midas建立空間模型,通過比較符合實際結構的模型進行蓋梁受力分析。蓋梁在計算時存在較多假設,為了較好地分析一些特殊形式蓋梁的受力特性,有時需要進行一些空間實體分析。實際上,蓋梁的計算過程就是如何準確地獲取若干組控制反力的過程。現結合工程實例對普通鋼筋混凝土蓋梁進行計算分析。4模型計算結果分析內蒙古自治區滿洲里市某公路橋橋墩蓋梁尺寸如圖1所示,主橋寬20m,雙向四車道布置,設計荷載為公路Ⅰ級,上部結構采用15塊20m板梁,蓋梁長19.24m,寬1.4m。橋梁通軟件計算所得彎矩和剪力包絡圖見圖1。按蓋梁實際受力計算所得彎矩包絡圖和剪力包絡圖見圖2,本次計算均考慮樁柱支承寬度對削減負彎矩尖峰的影響,0.9倍消峰。計算結果對比見表1,裂縫配筋對應彎矩包絡圖與與強度配筋類似,此處不再重復闡述。從表1數據可以看出,兩種計算方法得到的中墩、邊墩和跨中彎矩相差很小,彎矩差值分別為70、-16和62kN.m,模型計算結果比實際受力計算結果大2.8%、-0.7%和2.8%。造成這種現象的原因是結構上部為奇數片梁,在計算模型中,有一集中力正對中墩中心,而實際結構中中墩中心處蓋梁并不直接受力,傳遞上部集中力的支座對稱中心布置,這就使得中墩實際要多受一個支座的集中力,其計算的彎矩包絡圖對應要大一些。加載位置的不同使得截面彎矩值必然要偏離實際結構的受力狀態。同樣在邊墩支點處,因為兩種計算模型集中力加載位置的不同,車輛偏載加載時使得每個支座分配的集中力不一樣,也使得支點處彎矩不一樣。再看剪力,兩個計算結果剪力差值較大,中墩、邊墩處剪力差值分別為-400kN和-99kN,究其原因,也是由于車輛偏載加載時,在計算模型中是把一片梁兩個支座的支反力簡化成一個集中力,僅考慮梁與梁之間的橫向分布,而實際上,偏載時每片梁上支座所分配的集中力大小并不一致,使得兩種計算方法所得到剪力變化位置和大小不一樣,也使得剪力計算結果差值較大。假設設計抗剪鋼筋直徑為28mm,考慮剪力分配,按照橋梁通計算模型計算得到中墩處需抗剪鋼筋10根,而按實際受力計算需抗剪鋼筋12根。但是,橋梁通在蓋梁配筋設計時,一般取彎起鋼筋容許承擔的最大剪力分配系數為0.4,而在新規范和配筋設計時,常通過加粗箍筋直徑、加密箍筋間距、提高蓋梁混凝土標號來減少彎筋承擔的剪力,也使得彎筋實際承擔的剪力≤0.4Qj。這樣也使得橋梁通計算得到的數據偏于保守,留有一定的富余量,配筋結果滿足實際受力要求,結構上也偏于安全。5計算結果對比分析前撫鐵路某公路立交橋,主橋設計車行道寬7m,兩側分別為0.5m防撞墻,全寬8m,上部結構為6塊20m板梁,雙柱式橋墩,蓋梁長8m,寬1.4m。設計荷載為公路Ⅱ級,上部恒載重:邊板612kN,中板432kN,兩種情況建模計算所得彎矩包絡圖和剪力包絡圖從略,計算結果對比分析見表2。從表2數據可以看出,兩種計算方法得到跨中正彎矩一致,支點負彎矩相差不大,模型計算結果比實際受力結果約小2%,剪力差值較大,支點處最大剪力差23%。由于主梁片數為偶數片梁,跨中處沒有集中力,跨中彎矩在計算模型和實際受力中都有類似削峰的處理。支點、跨中處剪力因兩種計算模型集中力加載位置的不同,以及車輛偏載加載每個支座分配的集中力不一樣,使得兩個計算結果差值較大。若抗剪鋼筋以直徑為28mm計,考慮剪力分配,計算模型計算結果所得支點處需抗剪鋼筋8根,而實際受力計算所需抗剪鋼筋需7根。6橋梁有限元分析的適用性(1)目前蓋梁計算方法有很多種,蓋梁因其結構的特殊性,其受力情況也較復雜。蓋梁根據不同的情況,可以以簡支梁、懸臂梁、連續梁、剛架及深受彎構件等結構形式分別進行計算,也可以建模進行平面桿系結構和空間桿系結構進行計算。對于一般中小橋梁而言,鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構蓋梁,采用橋梁通軟件進行計算,較傳統手算和有限元分析方便快捷,計算結果也能達到設計要求,滿足工程實際需要。(2)分析表明,由于橋梁通軟件計算模型與實際受力存在一些不同,因為主梁片數