预应力混凝土连续箱梁桥计算模型对比分析

1、中国市政工程年第期（总第期）在高速公路桥梁设计中，为了适应线路走向或受地理条件限制，曲线桥、斜交桥以及斜桥正做而布置独立支座的连续箱梁桥等非规则的桥梁结构形式越来越多地被采用。对于非规则桥梁结构，按照平面模型来分析不够准确。应用板壳单元模型或实体单元模型分析，其计算结果准确、可靠，但建模过程繁琐、分析费用较高、在一般通用的分析软件中较难实现预应力筋的模拟。采用空间梁格单元模型（简称梁格法）将箱梁简化为格梁进行受力分析，与实体单元一样。该方法基本概念清晰、计算费用较低、应用范围广，在各类桥梁设计中均可广泛使用。本文以实际工程为背景，对连续箱梁分别建立了单梁模型和梁格模型，同时，还建立了考虑预应力

2、钢筋的桥梁实体单元模型，并以实体单元的计算结果为基准，对两种梁系模型的计算结果差异进行了比较分析，并对建模过程中应注意的问题提出了建议。工程概况本桥为杭浦高速上的一座四跨预应力混凝土连续箱梁桥，桥跨布置为；箱梁纵向中心线处梁高，外缘高；桥面宽，两侧翼缘悬臂板长，箱底宽，为单箱双室截面（图），预应力钢筋均对称布置在箱梁腹板内；连续梁除两端为双点支撑，中间三点均为单点支撑形式；箱梁在跨间无横隔板，仅在支点处设支座横梁。全桥为单向车道，设计荷载：汽车超、挂车。计算模型本文采用桥梁专用有限元分析软件建立了上述桥梁的单梁模型和梁格模型。实体单元模型则采用通用有限元分析程序进行模拟。单梁模型采用平面梁单元

3、来模拟整个结构，对于支座只能采用简化合并的方式进行处理，无法考虑支座横梁的刚度贡献和单支座支撑的特殊性。由建立的单梁模型单元总数为个，节点总数为个，具体模型如图所示（由于结构的对称性，图仅示意了模型的左半侧结构）。该模型为平预应力混凝土连续箱梁桥计算模型对比分析郭勇王媛张根法郁存正（浙江大学，杭州）（浙江树人大学，杭州）（浙江蒲江县公路段，永康）（浙江永康市公路段，永康）摘要：以一个单箱双室的预应力混凝土连续箱梁桥为研究对象，分别建立了结构平面梁单元模型、空间梁格单元模型以及空间实体单元模型。通过对计算结果的比较分析，指出了一般设计中常用的平面梁单元模型和空间梁格单元模型计算结果的差异，并对该

4、类桥梁结构设计中采用何种模型和建模过程中应注意的问题提出了建议。结论对同类桥梁的设计分析具有重要的参考价值。关键词：箱梁桥单梁法梁格法实体单元桥梁与结构 中国市政工程年第期（总第期）面模型，桥梁的横向刚度无法进行模拟。汽车荷载的作用也只能通过对主梁定义车道偏心加以考虑。梁格模型梁格的划分应综合考虑以下因素：）梁格的纵向杆件形心高度位置应尽量与箱梁截面的形心高度相一致，纵横杆件的中心与原结构梁肋的中心线相重合，使腹板剪力直接由所在位置的梁格构件承受。）为保证荷载的正确传递，横向杆件的间距不宜超过纵向梁肋的间距。）纵梁抗扭刚度的计算按整体箱型断面自由扭转刚度平摊到各纵梁上。）预应力钢筋在梁肋中的布

5、置应特别引起注意。对于整个箱梁截面而言，预应力钢筋是对称配置的。由于梁格划分后边肋几何形状的非对称性，此时按设计位置布置预应力钢束，在边肋中将产生较大的平面外弯矩，这显然与实际受力情况不符，在计算结果的分析中应扣除平面外弯矩产生的效应。通过综合分析以上因素，按图中虚线对连续箱梁进行了梁格的划分。为保证计算精度，纵向单元长度取为，横向杆件间距为。在车道位置布置车道虚梁以考虑汽车载荷。支座横梁及支撑均按设计进行布置。建立的梁格模型单元总数为个，节点总数为个，具体模型见图（由于结构的对称性，图仅示意了模型的左 半侧结构）。实体单元模型 实体单元模型采用通用有限元分析软件建立，使用单元模拟混凝土，单元

6、模拟预应力钢筋束，通过升降温施加预应力。模型单元总数为个，节点总数为个，见图。建立实体单元的目的主要是为上述两种计算模型的计算结果提供基准，具体建模过程在此不再赘述。计算结果分析应力分析在自重荷载作用下，对三种模型的计算结果进行了比较，如图、图所示。在自重作用下，跨中部位三种模型的分析结果均比较吻合，但在支座处，由于单梁模型无法考虑支座横梁的刚度和单点支撑的特殊性，其计算结果与实体单元的结论存在偏差，差异比为左右，而梁格模型在支座处的计算结果则与实体单元吻合得较好。对箱梁施加预应力，箱梁上缘中部应力的计算结果见图。三种模型结果仍比较接近，最大偏差出现在单梁模型的中支座处，与实体单元的差异比为。

7、在自重、预应力与汽车荷载组合工况作用下，对两种梁系模型的计算结果进行比较，如图、图所示。由于汽车荷载是一种移动载荷，且加载形式并不对称，所以对模型的构造比较敏感。由图、图可以看出，两种模型计算结果的主要差异仍出现在支座图实体单元模型图中国市政工程年第期（总第期）处，差异比为左右，跨中应力也出现了一定的偏离。分析其原因，一方面是单梁模型无法准确模拟单点支撑这一特殊支撑形式，另一方面是两种模型对车道布置形式不同所造成的，梁格模型对车道的模拟显然更为准确。刚度分析在上述三种荷载工况下，单梁和梁格模型的挠度计算结果十分接近，挠度值如表所示。结语）采用单梁模型对结构进行计算时必须对支座进行简化处理，无法

8、考虑斜支撑、单点支撑等特殊支撑形式，同时对于横梁、斜弯梁的刚度贡献也无法进行模拟，车道施加只能通过对主梁的偏心进行近似。另一方面，单梁法建模简便，计算速度快，计算结果能够反映结构的整体受力性能，在初步设计或方案比较阶段，不失为一种较好的计算方法。）梁格方法建模相对繁琐，但可以很好解决上述单梁法计算中遇到的困难，通过考虑横梁（包括支座横梁和桥面板）的横向刚度，可以建立起桥梁结构的空间受力模型，对非规则桥梁作出比较准确的分析。通过布置虚拟车道梁，能够较好地模拟车道的空间分布情况。梁格法建模中要注意的问题主要有两方面。首先要合理地对空间网格进行划分，模拟桥面板的等效横梁间距不宜超过纵梁梁肋的间距，随着计算机处理能力的增强，不妨将单元划分得细一些，可以保证计算结果更为精确。另一个要引起注意的问题是由于梁格的划分，造成边肋梁预应力施加偏心，必须在计算结果中去除平面外弯矩的影响，否则将无法保证设计结果的可靠性。）对三种模型截面应力的计算结果进行比较可以看出，在跨中，三种模型的应力结果还是比较吻合的，但在支座处，单梁模型的计算结果则偏差较大，另两种模型的应力值仍吻合得较好，单梁模型支座处的计算误差最大可达。在设计中，如果采用单梁模型的计算结果进行支座配筋，应考虑误差存在的影响。）两种梁系模型对桥梁纵向刚度的模拟比较接近，挠度计算结果的最大差值不超过，在进行桥梁总体刚度的设计校核时，两种模型的计