摘　要:首先采用傳統的計算理論對某輕軌高架橋槽形簡支梁的內力進行了手算.同時,還采用MidasCivil橋梁專用設計軟件對槽形梁進行了電算,在對計算結果進行比較的基礎上,對傳統設計理論的可靠性進行了剖析和評價,并對實際的工程設計提出合理化的建議.

　　關鍵詞:預應力混凝土;槽形梁;內力計算

　　1 工程簡介

　　某輕軌高架橋,設計區間總長為90m,雙線、線路中心線間距為3.6m.車輛采用電力牽引、第三軌受力,設計最高行車速度為80km/h,軌距1425mm,軸重14t.采用60kg/m鋼軌、鋼筋混凝土軌枕式整體道床,軌道建筑高度為55cm.擬采用3×30m預制裝配式預應力混凝土簡支梁橋,采用等高度雙線整體式預應力混凝土槽形梁截面.橋墩采用T形墩,基礎采用鉆孔灌注樁.

　　槽形梁是一種下承式受力構件,其傳力途徑為列車輪載作用于槽形梁底板,底板將荷載橫向傳至兩側縱向主梁.主梁內配有高強預應力鋼筋,抵抗橋跨結構由外荷載產生的彎矩.槽形梁具有增加橋下凈空、減少建筑高度、兩側主梁可提供隔音屏作用、縮短施工工期及降低使用期內的費用等優點.槽形梁的具體尺寸見圖1.

　　2 一般計算方法

　　2.1 主梁內力計算

　　對于主梁內力的計算,傳統的方法是將主梁簡化為一般的簡支受力體系,采用結構力學的方法進行計算.

　　(1)恒載內力:包括一期恒載(槽形梁自重)及二期恒載(65kN/m)作用下的內力.計算簡圖如圖2所示.

　　(2)活載內力:列車活載按6節車輛編組計算, 重車和空車軸重分別為140kN和70kN.考慮到該輕軌為雙線,依據《地鐵設計規范》(GB50157―2003)[1],雙線時應按各線列車活載總和計算.故最不利加載情況為雙線同時有重車通過.圖3為跨中最大彎矩的計算圖式,限于篇幅,其他不一一列出.

　　主梁內力計算結果匯總于表1.　　

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　　2.2 道床板內力計算

　　道床板按單向板進行計算[2-3],計算跨度B取兩主梁腹板中線與道床板中面交點間的距離,取1m寬的板條進行計算.計算結果列于表2.　　

　　3 電算分析方法

　　以上計算主梁內力的傳統方法,采用了相應的簡化假設,實際上是在忽略主梁截面尺寸影響的前提下進行的.但實際上槽形梁是一個空間的結構,主梁截面的不同部分之間有著相互的影響.而近年來得到廣泛使用的MidasCivil設計軟件,正是將主梁作為空間整體分析,可以充分反應橋梁結構的空間效應.為了做一比較,同時檢驗傳統計算結果的準確性,筆者采用Midas設計軟件對主梁內力進行了相應的計算.

　　3.1 槽形梁模型化

　　由于槽形梁的主梁翼緣、腹板及道床板的厚度與梁體的表面尺寸相比小得多,可近似地將槽形梁視為空間折板的薄殼結構.為便于結構的模型化,首先依據下列原則對截面進行換算:①截面的主要外形尺寸及板厚均保持不變;②主梁部分的中和軸位置基本不變;③主梁腹板的截面面積及腹板中面的傾斜角保持不變;④主梁上、下翼緣板的截面面積基本不變;⑤主梁截面沿X和Y方向的慣性矩Ix和Iy基本不變.

　　據此,可將槽形梁在Midas中建立有限元分析模型,其縱向劃分15個單元,橫向劃分20個單元.為了保證模型符合實際結構,在兩端還增加了端橫梁單元.

　　槽形梁采用四點支撐[4],在模型中加入約束條件并定義荷載之后,即可進行內力分析.荷載的種類和大小與手算時相同,特別地,二期恒載按g2=65/8.98=7.24kN/m2換算為面荷載進行加載.

　　3.2 電算結果分析

　　由于荷載及結構的對稱性,各種荷載作用下板單元的橫向彎矩值可只取結構的一半進行觀察.表3所列為荷載組合作用下各單元的橫向彎矩值,圖4為橫向彎矩沿縱向的分布圖.其它荷載情況未一一列出.

　　4 分析與比較

　　從電算的結果可看出,各板單元在豎向荷載作用下不僅會發生雙向彎曲和扭轉,而且由于共同工作還引起拉伸變形.而腹板處的板單元則受法向應力、剪切和扭、彎共同作用,總的來說槽形梁比一般上承式梁的工作狀態豎向荷載作用下不僅會發生雙向彎曲和扭轉,而且由于共同工作還引起拉伸變形.而腹板處的板單元則受法向應力、剪切和扭、彎共同作用,總的來說槽形梁比一般上承式梁的工作狀態要復雜的多.　　

　　對兩種方法的計算結果對比分析后發現,它們之間存在一定的差別.無論哪種荷載情況,手算結果均比電算結果大,各種荷載作用下橫向彎矩值沿梁長方向的變化趨勢也不相同.總體而言,利用手算的結果進行配筋計算,是偏安全的處理方法.差異的主要原因在于以下幾個方面:

　　(1)在電算分析中,將結構作為一個整體,其結果是由共同作用產生的;而手算時則不能很好地體現這種共同作用,故導致計算結果偏大.

　　(2)在電算分析中,結構跨中部分的板單元受到的是相鄰板單元的約束,而端部的板單元受到的是支座與端橫梁的約束,兩種約束條件不同.這就使得荷載作用下,單元的彎矩值沿梁長的變化趨勢在跨中與

　　端部并不相同.

　　(3)由于槽形梁實際上是一種梁、板組合的空間整體結構,而角隅部分又是梁、板的連接處,結構復雜.但由于軟件本身的特點,使得電算對結構在角隅處的分析結果并不是太理想,從而也導致兩種方法在角隅處的計算結果有出入.為保證電算中角隅部分的計算精度,應將角隅部分單獨取出,作進一步的細部分析計算.　　

　　5 結論

　　總結上述的分析結果可知,兩種計算方法各有自己的優缺點.電算的關鍵在于建立一個與實際較為接近的模型;同時應采用多種軟件進行計算分析和比較.而手算的關鍵在于所依據的理論是否可靠,采用的設計計算方法是否正確可行.

　　由于槽形梁構造復雜,理論研究還不夠成熟,而目前已建成的實例也較少.依據以上分析研究,給出以下幾點建議:

　　(1)手算所得主梁內力均偏大,應適當結合電算方法綜合確定.

　　(2)手算道床板內力時,沿梁全長均采用單位板寬的計算值,偏于安全,浪費材料.應該依據力的變化趨勢進行配筋計算,從而達到減少鋼材用量,降低成本的目的.

　　(3)今后,應在試驗及理論方面加強對槽形梁角隅部分的研究.同時在設計計算中應加強角隅部分的設計,并進行相關的驗算.

　　參考文獻:

　　[1]GB50157―2003,地鐵設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2003.

　　[2]TB10002.3―99,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,1999.

　　[3]黃劍源,謝旭.城市高架橋的結構理論與計算方法[M].北京:科學出版社,2001.

　　[4]朱一凡,劉海鳳.支座轉動約束對連續梁內力的影響及顯式表示[J].青島建筑工程學院學報,1998,19(3):23-26.

　　[5]王玉田,馬培建,章偉,等.某半剛構―連續箱梁特大橋施工監控技術[J].青島理工大學學報,2006,27(4):14-18.

　　[6]徐艷秋.圓心角對預應力砼曲線連續梁彈塑性力學的影響[J].青島理工大學學報,2006,27(1):64-67.