高架桥异形宽箱梁空间结构研究

徐磊

摘要：高架桥容易被城市景观建设以及拥挤的城市交通所影响，利用异形宽箱梁空间结构能够有效地将这些影响降到最低。相较于普通的建筑结构，异形宽箱梁空间结构在受力特性上有着显著的不同。由于我国城市人口众多，交通拥挤，因此高架桥的发展与建设水平处于国际领先地位，但是高架桥异形宽箱梁空间结构的研究力度明显不足。基于此，本文将结合工程实例对该空间结构进行研究。

关键词：高架桥；异形宽箱梁；空间结构；研究

引言

为了将交通功能发挥到最大化，高架桥的桥梁宽度一般较大。但是随着人类文明的进步，对公共设施的要求不仅体现在功能方面，还要求其具有文化性与舒适性。因此，对高架桥梁的景观设计也逐渐重视起来。目前大部分的高架桥在设计桥梁横断面时都运用了曲线元素。异形宽箱梁空间结构比一般的结构更复杂，一些在普通结构分析中能够应用的假定条件并不能同样适用于异形宽箱梁空间结构。现阶段我国的高架桥建设数量及规模都在不断扩大，对异形宽箱梁空间结构在承载不同作用力的情况下的应力分布情况进行分析得出的结论能够作为高架桥设计优化方案中重要的参考数据，对类似高架桥结构的其他设计也能提供帮助。

1.工程实例

本文中应用的实例為一座跨径布置长达26+26M的立交桥，桥面宽度为17.35米至24.53米，在施工时应用了满堂支架。主梁的高度为两米，顶板高度为0.55米至0.51米，整体来看结构一般。

2.建立有限元模型

2.1梁格有限元模型。首先将整坐立交桥的整体空间模型建立起来，在每个节点应用多于六个的自由度，并且包含三个不同方向的线位移与转角位移。因为有可能发生立交桥的梁剪切变形对刚度矩阵产生影响的情况，所以梁单元模型有389个节点与688个梁单元。

2.2板壳单元模型。与上文中提到的梁格模型相同，每个节点也是应用多于六个的自由度，并且包含三个不同方向的线位移与转角位移。为了进一步提高箱梁计算的精确性，应该充分考虑到MIDAS之中箱梁的顶底板在剪切之中极有可能发生变形这一因素。与此同时，顶板、底板的划分都应该以一米为基本单位。全部的板单元模型总共需要有两千九百多个节点与三千三百多个板单元。

3.对计算结果进行对比分析

3.1荷载工况。当梁格与板单元模型所能承受的荷载作用与加载数量相等的时候，才能对这两个模型的计算结果进行对比分析。因此在对比时务必考虑到这两个结构受到不同结构的重力时会出现的情况，而且在计算活载时，荷载工况在取值时都应该将相关的公路桥规中对顶的车道荷载数值作为参考因素。在MIDAS之中，通常利用梁格法和板单元来计算模型，这样得出的数值极易发生错误或者偏差。因此在分析挠度与应力时，一般利用不同的分析方式计算上文中的两种模型，再对结果进行对比。

3.2分析结构。（1）在立交桥上没有汽车通行时，在整体结构的自身重力作用下，对板单元进行建模可以得出桥梁结构具有的最大位移，当桥梁结构出现在第二个跨中时，能够得到的实际位移值为5.23毫米。对梁格法进行建模能够得出在受到结构自身重力作用的情况时的位移情况和数值情况大致相同，这两种建模方式得出的结果差距不会大于3%。（2）在其上有汽车通过时，由于受到汽车的重力第一跨时所得出的结构受力情况发生了改变。对板单元进行建模得知在该情况下，第一跨跨中能够获得最大位移。数据结果表明，此时的最大位移为1.03毫米。利用梁格法建立模型能够得出最大位移也是在第一跨的跨中，数值达到1.21毫米。（3）汽车通过时，在汽车的荷载作用下计算第二个跨跨中看到的受力情况。都板单元建立模型能够得出该情况下结构能够出现的最大位移，同样出现在第二个跨跨中，得出的位移数值为0.96毫米。梁格法得出的最大位移数值同样在第+跨跨中，同样为0.96毫米，两种误差保持在4%左右。（4）汽车通过时，对板单元进行建模能够得出第一、二个跨跨中时的受力，不论在板单元的建模还是梁格法的建模都能够得知最大位移出现在第二个跨中，前者获得的数值为0.64毫米，后者为0.67毫米。两种方式所得出的数据的误差与（3）中相同。（5）在受到偏载作用力时，梁肋1、2、3受力，第一与第+跨中的受力情况也能够利用建立模型得知。对板单元建立模型能够得知在此种情况下异形宽箱梁空间结构的最大位移在第二个跨中，得到的数据为0.54毫米。同样地，利用梁格法时得出的结论也同样是最大位移出现在第二跨中，数据为0.56毫米。两种建模方式得出的数据差异在4%之内。（6）在受到偏载作用力时，梁肋4、5、6受力，第一与第二个跨中的受力情况同样能够利用建立模型得知。在此种情况下，两种建模方式都能够得出最大位移出现在第二跨跨中，数值分别为0.54毫米与0.56毫米，差异不差过4%。

4.结语

异形宽箱梁空间结构在横截面的作用力分布上十分不对称，特别是横向悬臂上，针对正应力而言，悬臂的远端低于内侧。针对构造而言，上文对有效横截面的问题进行了阐述，以平面杆为基点对其进行计算，得出的结果与实体分析更为接近。

异形宽箱梁空间结构为连续梁体系，其不同位置存在正、负剪力滞效应，将悬臂部分去除，设计中腹板间距仍然沿袭常规标准，所以剪力滞效应与普通的箱梁结构基本一致。但是，由于正、负剪力滞效应的存在，应将预应力的配束考虑在内。在桥梁设计阶段，如果全部按照剪力滞的分布图进行配束，桥梁构造会十分复杂，所以在全横截面的范围内都应该分布一定的预应力。

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现代物业杂志社

2019-09-14