预应力混凝土槽形简支梁内力分析方法研究

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首先采用传统的计算理论对某轻轨高架桥槽形简支梁的内力进行了手算.同时,还采用MidasCivil桥梁专用设计软件对槽形梁进行了电算,在对计算结果进行比较的基础上,对传统设计理论的可靠性进行了剖析和评价,并对实际的工程设计提出合理化的建议.

　　1、工程简介
　　某轻轨高架桥，设计区间总长为90m，双线、线路中心线间距为3.6m.车辆采用电力牵引、第三轨受力，设计最高行车速度为80km/h，轨距1425mm，轴重14t.采用60kg/m钢轨、钢筋混凝土轨枕式整体道床，轨道建筑高度为55cm.拟采用3×30m预制装配式预应力混凝土简支梁桥，采用等高度双线整体式预应力混凝土槽形梁截面。桥墩采用T形墩，基础采用钻孔灌注桩。
　　槽形梁是一种下承式受力构件，其传力途径为列车轮载作用于槽形梁底板，底板将荷载横向传至两侧纵向主梁。主梁内配有高强预应力钢筋，抵抗桥跨结构由外荷载产生的弯矩。槽形梁具有增加桥下净空、减少建筑高度、两侧主梁可提供隔音屏作用、缩短施工工期及降低使用期内的费用等优点。槽形梁的具体尺寸见图1.
　　2、一般计算方法
　　2.1主梁内力计算
　　对于主梁内力的计算，传统的方法是将主梁简化为一般的简支受力体系，采用结构力学的方法进行计算。
　　（1）恒载内力：包括一期恒载（槽形梁自重）及二期恒载（65kN/m）作用下的内力。计算简图如图2所示。
　　（2）活载内力：列车活载按6节车辆编组计算，重车和空车轴重分别为140kN和70kN.考虑到该轻轨为双线，依据《地铁设计规范》（GB50157—2003）[1]，双线时应按各线列车活载总和计算。故最不利加载情况为双线同时有重车通过。图3为跨中最大弯矩的计算图式，限于篇幅，其他不一一列出。
主梁内力计算结果汇总于表1。
　　2.2道床板内力计算
　　道床板按单向板进行计算[2-3]，计算跨度B取两主梁腹板中线与道床板中面交点间的距离，取1m宽的板条进行计算。计算结果列于表2.
　　3、电算分析方法
　　以上计算主梁内力的传统方法，采用了相应的简化假设，实际上是在忽略主梁截面尺寸影响的前提下进行的。但实际上槽形梁是一个空间的结构，主梁截面的不同部分之间有着相互的影响。而近年来得到广泛使用的MidasCivil设计软件，正是将主梁作为空间整体分析，可以充分反应桥梁结构的空间效应。为了做一比较，同时检验传统计算结果的准确性，笔者采用Midas设计软件对主梁内力进行了相应的计算。
　　3.1槽形梁模型化
　　由于槽形梁的主梁翼缘、腹板及道床板的厚度与梁体的表面尺寸相比小得多，可近似地将槽形梁视为空间折板的薄壳结构。为便于结构的模型化，首先依据下列原则对截面进行换算①截面的主要外形尺寸及板厚均保持不变；②主梁部分的中和轴位置基本不变；③主梁腹板的截面面积及腹板中面的倾斜角保持不变；④主梁上、下翼缘板的截面面积基本不变；⑤主梁截面沿X和Y方向的惯性矩Ix和Iy基本不变。
　　据此，可将槽形梁在Midas中建立有限元分析模型，其纵向划分15个单元，横向划分20个单元。为了保证模型符合实际结构，在两端还增加了端横梁单元。
　　槽形梁采用四点支撑[4]，在模型中加入约束条件并定义荷载之后，即可进行内力分析。荷载的种类和大小与手算时相同，特别地，二期恒载按g2=65/8.98=7.24kN/m2换算为面荷载进行加载。
　　3.2电算结果分析
　　由于荷载及结构的对称性，各种荷载作用下板单元的横向弯矩值可只取结构的一半进行观察。表3所列为荷载组合作用下各单元的横向弯矩值，图4为横向弯矩沿纵向的分布图。其它荷载情况未一一列出。
　　4、分析与比较