三跨变截面预应力混凝土双箱双室并联连续箱梁桥的空间受力分析研究演示教学.doc

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三跨变截面预应力混凝土双箱双室并联连续箱梁桥的空间受力分析研究
[ 录入者：zxl1921 | 时间：2006-07-17 12:36:46 | 作者：陈菁菁, 姚永丁, 陶舍辉, 项贻强 |   来源：公　路　交　通　科　技 ]
为了适应城市交通的需要, 现在一般城市道路桥
梁要求修建双向6 车道或双向8 车道, 桥梁横向宽度
达到甚至超过30m。这样宽的桥梁若采用连续箱梁结
构, 横向拼接方式多半是双箱刚接并联或双箱分离。
由于桥梁的横向宽度较大, 宽跨比增大, 加之各箱室
桥面板和横隔板的刚接作用, 使得各箱室和桥面板共
同参与工作, 空间效应将十分显著。设计中, 工程师
为了简化计算, 往往是取并联的半幅桥或单箱采用平
面杆系理论进行设计计算, 而忽略了主梁横向协同工
作效应。这样, 势必造成设计的状态与实际桥梁的工
作状态有出入, 过高地估计设计内力, 造成了材料的
浪费和工程投资增加。目前, 在设计此类桥梁时横向
分布的计算还没有得到很好的解决。因此, 研究此类
桥梁的空间受力特性和横向分布作用, 不仅具有理论
意义, 而且具有工程实用价值。
1 　工程背景
本文以一座三跨(30m + 50m + 30m) 变截面预应
力混凝土双箱双室并联连续梁结构为例(见图1) ,
桥梁全宽30m , 其中车行道宽15m , 两侧绿化带宽
215m , 非机动车道宽115m , 人行道和栏杆宽315m。
分南北半幅桥, 每侧半幅箱梁宽15m , 两半幅箱梁有
9 道加筋横隔梁连接, 如图1 中1O9 的位置, 3 和7 位
置(桥墩支点) 的横隔板厚100cm , 1 和9 位置(桥
墩台附近) 的横隔板厚60cm , 其它位置横隔板厚
30cm。主梁采用双箱双室断面, 每个箱梁顶宽15m ,
底宽10m , 箱梁支点处梁高218m , 跨中梁高117m ,
箱底缘从根部到跨中按二次抛物线变化, 箱梁底板厚
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20～50cm , 腹板厚35～60cm , 顶板厚22～55cm。设
计荷载汽车O20 级、挂车O100 , 人群荷载415kN/ m2 ,
混凝土设计标号C50 , 预应力筋采用Φj15124 高强低
松弛270 级钢绞线。
图1 　桥梁纵横向断面图(单位: cm)
2 　空间分析与试验对比
211 　有限元分析模型
实际上, 作用在桥面上的荷载沿横向通过桥面板
和多根横隔板向相邻主梁传递时的受力性能是很复杂
的, 以往的各种桥梁荷载横向分布理论均不能真实地
模拟这类桥梁的受力特征。这里采用空间有限元来模
拟桥梁双幅受力的实际状态, 它能够较为准确地反映
荷载作用下桥梁横向刚度对桥梁变形和内力的影响。
分析时, 采用壳单元划分了8 144 个单元, 建立有限
元模型如图2。并以跨中截面作用两辆重300kN 车辆
荷载(如图3) 时, 中跨跨中截面挠度和混凝土应力
的横向变化来说明双幅桥协同工作的状态及横隔板对
横向受力的影响。
图2 　有限元分析模型
图3 　加载位置示意
212 　计算模型参数分析
在进行空间有限元分析时有两个值得注意的参
数。一个是混凝土弹性模量的取值, 通常混凝土弹性
模量实测值比《桥规》规定的设计值偏高, 所以计算
模型中混凝土的弹性模量应该按实测值取值, 本次计
算根据施工单位提供的实测值C50 混凝土的弹性模量
取317 ×104MPa ; 另一方面为了考察双幅受力的协同
工作效应和横隔板的作用, 研究这类桥横向刚度的影
响。这里选取了双幅并联受力有横隔板、无横隔板
(即双幅间仅桥面板处刚性连接) 和单幅受力有横隔
板(横隔板的设置同双幅受力情况) 、无横隔板4 种
受力模式, 进行空间有限元分析, 对控制截面分别给
出了有关分析结果(图4 及表1) , 从中发现:
(1) 双幅受力时比单幅受力的计算截面最大挠度
减小了30 %左右, 顶板最大压应力相差30 %左右,
因而荷载作用一侧半幅桥时另半幅箱梁分担荷载的作
用不应忽视。
(2) 有横隔板参与受力比无横隔板时截面最大挠
度值均减少了30 %左右, 顶板最大压应力双幅桥受
时相差40 %左右; 受力变形图显示有横隔板时箱梁
截面的变形基本上是刚性变形, 而双幅无横隔板的受
力模式在受到偏心荷载时箱梁截面产生了畸变变形,
可见横隔板对横向刚度的贡献显著, 特别是双幅桥共
同受力时其作用更为突出。
(3) 截面最大拉、压应力(MX、MN) 位置4 种
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受力模式下都不相同; 最大挠度的位置也发生变化,
双幅桥共同受力时处于加载幅的外侧, 单幅桥受力时
处于截面中线附近。
图4 　4 种受力模式空间分析对比图
不同受力模式下截面挠度、应力空间理论计算值比较表1
中跨跨中截面
挠度(mm)
最大值δ1 δ2 δ3 δ4 δ5 δ6
纵向应力(MPa)
顶板(MN) 底板(MX)
双幅桥
计算模式
有横隔板11403 11343 11222 11005 01647 01461 01342 - 01336 01305
无横隔板11856 11642 11670 11380 01505 01366 01310 - 01595 01322
单幅桥
计算模式
有横隔板11797 11747 11776 11747 - - - - 01502 01367
无横隔板21052 11793 11909 11793 - - - - 01621 01326
213 　荷载试验研究
为了进一步说明双箱双室并联连续箱梁桥的横向
刚度影响和空间有限元法分析的有效性, 本文在上述
理论研究分析的基础上, 进行了实桥的荷载试验研
究。试验研究的内容主要有: 双箱双室并联连续箱梁
跨中截面的挠度分布规律, 中跨跨中、边跨跨中截面
箱梁上、下缘纵向应力沿横向的分布等。限于篇幅,
荷载试验的详细情况在此不作阐述, 只引用试验实测
数据以说明问题。
测点编号
实测
挠度值
(mm)
空间理论
计算值
(mm)
空间理论
校验系数
平面理论
计算值
(mm)
平面理论
1 3119 4133 74 % 6 53 %
2 2194 4121 70 % 6 49 %
3 2155 3193 65 % 6 43 %
4 1176 2173 64 % - 29 %
5 0194 1163 58 % - 16 %
图5 　中跨跨中截面实测挠度值与计算值对比
　　图5 给出了该桥中跨跨中截面最不利弯矩控制加
载情况下, 中跨跨中截面挠度沿横桥向变化的试验及
理论分析结果。图6 为该桥中跨跨中截面、边跨跨中
截面在其最不利弯矩控制加载情况下, 实测应力与理
论计算值的比较。从图5 可见: 实测挠度值最大还不
到平面理论计算值的60 % , 而与空间分析计算值的
趋势相同, 幅值也较为接近。说明在桥梁实际工作状
态中横向刚度的影响不容忽视。箱梁实测值与空间计
算值还有一定的误差, 主要是由于在进行空间模拟计
算时, 未计入桥面铺装以及桥梁预应力钢筋和非预应
力钢筋对桥梁刚度的贡献。另从图6 可见, 箱梁上、
下缘实测应力与平面理论计算值相差较大, 而与空间
理论计算值吻合较好, 说明平面设计理论分析计算这
类桥梁, 存在较大的局限性。但总的来说, 对于双幅
并联的桥梁, 取半幅桥认为其独立受力来进行截面设
计以满足设计承载力的要求, 是偏于安全的, 同时也
造成了一定程度的材料浪费和工程投资的增加。因
此, 准确分析横向宽度较大或横向刚度影响较大的桥
梁, 必须进行空间分析, 以客观地把握桥梁的实际工
作性能。
3 　结论
由以上的分析研究可以得出以下结论:
(1) 双箱双室并联箱梁桥两半幅桥实际上并不是
公路交通科技　2003 年　第5 期
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图6 　箱梁桥典型截面实测应力值与计算值对比
独立承载, 而是协同工作的; 不考虑另半幅参与受力
分布, 将导致设计内力的过高估计。
(2) 横隔板对提高桥梁的横向刚度有很大的作
用, 特别是当桥梁横向宽度较大时, 不计其对横向刚
度的影响, 计算结果会有较大的偏差; 增加横隔板则
可以一定程度上避免箱梁的畸变、翘曲、剪力滞现
象, 改善箱梁的横向受力。因此, 在设计宽度较大桥
梁时, 应适当增加横隔板。
(3) 双幅并联的连续箱梁桥的空间受力特性和横
向分布较为复杂, 采用一般的桥梁横向分布理论难以
奏效。实际设计分析时, 应根据结构的具体布置, 采
用空间分析理论方法, 才能获得较为真实的结果。
参考文献:
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[3 ] 　中华人民共和国交通部1 公路桥涵设计规范(合订本) [ S] 1
人民交通出版社, 19871
[4 ] 　Walter Podolny1Construction and Design of Prestressed Concrete Segmen2
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(上接第33 页) 碎石料的σ1 - σ3～εa 关系接近于双
曲线, 可用双曲线拟合。②体变曲线接近于抛物线,
可用抛物线拟合, 以反映碎石土的剪胀变形特点, 特
别是在围压较小时。③单向压缩条件下, 轴向应力与
轴向应变的关系曲线接近于幂函数曲线, 压缩模量随
轴向应力呈幂函数变化。

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