某輕軌高架橋兩種計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

某輕軌高架橋兩種計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

摘要:結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)槽形梁用手算和電算兩種方法進(jìn)行了分析,并對(duì)兩種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析,總結(jié)了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出了手算需改進(jìn)的方案,為今后槽形梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞:槽形梁,預(yù)應(yīng)力體系,輕軌高架橋,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1工程簡(jiǎn)介

天津地鐵1號(hào)線經(jīng)過(guò)地區(qū)地處海河沖擊平原上,地形平坦,沿線地層簡(jiǎn)單,第四系地層發(fā)育廣泛。地層分布從上到下依次是人工堆積層、新近沉積層、上部陸相層、第一海相層、中上部還相層、上部及中上部地層廣泛沉積有十幾米厚的軟土。

因槽形梁具有建筑高度低;受力結(jié)構(gòu)滿足功能之需;改善建筑外觀;隔噪聲;兩邊墻可防止脫軌與翻車(chē);造型輕巧美觀等優(yōu)點(diǎn)。故文中設(shè)想如將地鐵1號(hào)線的高架段設(shè)計(jì)為槽形梁橋可能更有優(yōu)勢(shì),文中取90m的區(qū)間長(zhǎng)度設(shè)計(jì),在該區(qū)間采用3×30m三跨簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力槽形梁方案。

2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)線路:雙線、線間距(全為直線段),平坡;2)車(chē)輛:電力牽引、第三軌受力、設(shè)計(jì)最高行車(chē)速度80km/h,軌距1425mm,軸重14t;3)橋下凈空:跨越城市主干道不小于5m,其他次干道不小于;4)地震設(shè)防烈度:天津地區(qū)按8度考慮;5)設(shè)計(jì)荷載:結(jié)構(gòu)自重、橋面二期恒載按65kN/m計(jì);列車(chē)荷載按六節(jié)車(chē)輛編組設(shè)計(jì),重車(chē)軸重140kN,空車(chē)軸重70kN;人行道活載按計(jì);溫度力按頂板升溫5℃及梁體內(nèi)外溫差10℃計(jì)。

3橋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁體設(shè)計(jì)

梁體構(gòu)造

梁截面采用等高度雙線整體式預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁,采用向外傾斜約70°的斜墻式“T”型斷面(見(jiàn)圖1)。腹板厚端部范圍內(nèi)55cm,跨中至梁端范圍內(nèi)35cm厚;端部端橫梁可增加橋梁末端半框架橫向剛度,減少道床板橫向彎矩及橋梁支點(diǎn)截面橫向撓度,截面采用高,寬的矩形截面。

梁體預(yù)應(yīng)力體系

采用三向預(yù)應(yīng)力體系,縱向?yàn)?-7Φ5鋼絞線,全截面共34束。橫向?yàn)?-7Φ5鋼絞線,間距。錨具采用OVM及其配套的支承墊板,管道用金屬波紋管成孔。鋼絞線為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線。豎向采用Φ28的45SiMnV光圓冷拉Ⅳ級(jí)粗鋼筋,布于腹板中部,間距,與橫向鋼絲束間隔布置。端橫梁預(yù)應(yīng)力體系也采用5-7Φ5鋼絞線,間距。

梁體施工

槽形梁為開(kāi)口截面,且需配三向預(yù)應(yīng)力筋,因此對(duì)構(gòu)件制作精度要求高。本橋采用工地現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制,后用運(yùn)梁車(chē)在線上運(yùn)輸?shù)轿?再采用架橋機(jī)或龍門(mén)吊吊裝就位的施工方法。

橋墩及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

橋墩采用T型墩,因其具有受力合理、占地面積小、結(jié)構(gòu)輕巧美觀、線條流暢、滿足橋下行車(chē)要求等優(yōu)點(diǎn)?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁,樁徑,樁長(zhǎng)34m,以使其承載在承載力較高的密實(shí)粉質(zhì)粘土上。

4梁體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析

手工計(jì)算分析

手工計(jì)算是根據(jù)影響線法并利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器輔助計(jì)算,從而求得梁體內(nèi)力(手工計(jì)算溫度荷載較復(fù)雜,因此手算未考慮溫度荷載組合)。

主梁內(nèi)力包絡(luò)圖(見(jiàn)圖2)

道床板內(nèi)力計(jì)算

道床板計(jì)算跨度B取兩主梁腹板中線與道床板中面交點(diǎn)間距離,取1m板寬計(jì)算。先利用材料力學(xué)方法求得荷載引起的簡(jiǎn)支梁跨中彎矩M0及固端梁支點(diǎn)負(fù)彎矩M1,則道床板跨中彎矩

支點(diǎn)負(fù)彎矩My1=;支點(diǎn)正彎矩My2=。

端橫梁內(nèi)力計(jì)算

端橫梁承受荷載見(jiàn)圖3陰影中所示范圍。先求得簡(jiǎn)支梁跨中彎矩M0,則端橫梁跨中彎矩Mk=M0;支點(diǎn)負(fù)彎矩M+z=;正彎矩M-z=-。

電算分析

由于槽形梁的主梁翼緣、腹板及道床板厚度與梁體表面尺寸相比小得多,可近似把槽形梁視為空間折板的薄殼結(jié)構(gòu),并離散成由有限個(gè)薄殼單元組成的結(jié)構(gòu)物。該槽形主梁電算分析采用的是薄殼結(jié)構(gòu)有限單元法,用MIDAS軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

截面換算原則

截面主要外形尺寸及板厚不變;主梁中和軸位置基本不變;腹板截面面積及中面傾角不變;梁上、下翼緣板截面面積基本不變;梁截面沿X,Y方向的慣性矩Ix,Iy基本不變。另外,為保證計(jì)算精度,在下轉(zhuǎn)折點(diǎn)外增設(shè)一單元(添加單元,見(jiàn)圖4)。

MIDAS建模及離散化

依據(jù)如圖4所示截面,在MIDAS中建型,并劃分單元。該槽形梁縱向劃分15個(gè)單元,橫向劃分20個(gè)單元,為保證模型符合實(shí)際結(jié)構(gòu),模型兩端增設(shè)了端橫梁?jiǎn)卧?/p>

槽形梁模型采用四點(diǎn)支撐,約束條件分別是:固定支座;縱向固定、橫向活動(dòng)的支座;橫向固定、縱向活動(dòng)的支座;雙向活動(dòng)支座。

5兩種計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

槽形梁在荷載作用下不僅會(huì)發(fā)生雙向彎曲和扭轉(zhuǎn),且由于共同工作還會(huì)引起拉伸變形。腹板處的單元?jiǎng)t受法向力、剪切和扭、彎共同作用,其比一般上承式梁的工作狀態(tài)要復(fù)雜。

兩種計(jì)算結(jié)果比較

兩種計(jì)算結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn),橫向彎矩值主要存在以下差別:1)自重荷載作用下:手算較電算結(jié)果大,跨中相差約%;角隅處正彎矩相差約%,負(fù)彎矩相差約%。2)二期恒載作用下:兩結(jié)果相差不大,約為%。3)列車(chē)活載作用下:手算較電算結(jié)果大,跨中相差約%;角隅處相差約%。4)荷載組合作用下(自重+二期恒載+列車(chē)活載):手算較電算結(jié)果大,跨中相差約%;角隅處相差約%。5)電算可將溫度力考慮進(jìn)去,手算不行。6)橫向彎矩值沿梁長(zhǎng)方向變化趨勢(shì)不同。電算中:彎矩值沿梁長(zhǎng)向呈曲線變化,跨中最大,向兩端逐漸變小,且端部約為跨中的1/2;在結(jié)構(gòu)跨中到距端部約1/5梁長(zhǎng)范圍內(nèi)彎矩值變化較緩,其余地方變化快。手算道床板橫向彎矩時(shí),取單位板寬計(jì)算,且全跨范圍內(nèi)都采用該值,即認(rèn)為橫向彎矩沿梁長(zhǎng)不變,且該值與電算的跨中彎矩值接近,由此知手算結(jié)果偏于保守。

存在差距的原因分析

1)電算分析中可將結(jié)構(gòu)的整體作用考慮進(jìn)去;而手算時(shí)不能體現(xiàn)這種共同作用,也就導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大。2)分析列車(chē)活載時(shí),手算時(shí)對(duì)列車(chē)荷載在道床板上的分布寬度采用雙線軌道間的距離,而實(shí)際上軌道外一定寬度范圍內(nèi)的板也受影響;電算時(shí)體現(xiàn)的正是這種相鄰板單元間的相互作用。3)在電算分析中,結(jié)構(gòu)跨中部分的板單元受到周?chē)鷨卧募s束,而端部的板單元?jiǎng)t受到支座與端橫梁的約束,由于兩種約束不同,橫向彎矩值沿梁長(zhǎng)的變化趨勢(shì)也就不同。4)由于軟件本身的特點(diǎn),使得電算對(duì)結(jié)構(gòu)角隅處的分析結(jié)果不理想,也就導(dǎo)致兩種結(jié)果在角隅處有出入。

總結(jié)

兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),電算的關(guān)鍵在于建立一個(gè)與實(shí)際接近的模型;有條件應(yīng)采用多個(gè)軟件進(jìn)行分析,從而找出最理想的分析軟件。

手算的關(guān)鍵在于所依據(jù)的理論是否可靠,采用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是否可行。由于槽形梁構(gòu)造復(fù)雜,理論研究不成熟,目前建成的實(shí)例也少,因此可參考的資料就非常少,本設(shè)計(jì)中所依據(jù)的理論,經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)其還有以下不足之處:1)計(jì)算道床板內(nèi)力時(shí),取單位板寬計(jì)算,梁全長(zhǎng)范圍都采用該值。由電算結(jié)果知,道床板端部?jī)?nèi)力只是跨中的1/2。因此,手算結(jié)果偏保守,如利用該結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì),會(huì)導(dǎo)致增加鋼材用量,浪費(fèi)材料。2)槽形梁實(shí)際上是一種梁、板組合的空間整體結(jié)構(gòu),而角隅部分又是梁、板的連接處,故應(yīng)在實(shí)驗(yàn)及理論方面加強(qiáng)對(duì)角隅部分的研究。設(shè)計(jì)計(jì)算中也應(yīng)加強(qiáng)角隅部分的設(shè)計(jì),并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算。

6結(jié)語(yǔ)

文中將天津地鐵1號(hào)線高架段設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力槽形梁橋。并對(duì)梁體用兩種方法進(jìn)行了計(jì)算分析。主梁和端橫梁部分主要用手算進(jìn)行;道床板部分采用手算和電算結(jié)合。電算主要用來(lái)與手算結(jié)果作對(duì)比分析,從而找出手算所依理論的不足及今后需改進(jìn)的地方,為今后槽形梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

參考文獻(xiàn):

[1]胡匡璋.槽形梁[M].