桥梁桥面板内力计算的探讨

200

第35卷第25期

9年9月

山西

建筑

SHANXIARCHJTEC九IRE

Vd.35No.25Sep.2009

・317・

文章编号:1009.6825(2009}25.0317.02

桥梁桥面板内力计算的探讨

赵华

摘要:指出不同长宽比对桥梁结构桥面板的受力有很大的影响,直接影响桥面板配筋,通过实例对桥面板计算时单、双向板的临界比值进行了研究,并得出了在汽车车辆荷载作用下,长宽比介于1.5~2之间时桥面板的简化配筋方法。关键词:桥面板,单向板,双向板,临界比值,长宽比中图分类号:U443.31

桥面作为桥梁结构中直接承担汽车、人群等外部活载的受力构件,其安全性非常重要。目前,为了施工方便,桥面结构习惯性采用横隔板稀疏布置的方式,因此,桥面板中以单向板居多。但随着城市建设的发展,各种不同结构形式的桥梁不断涌现,各种不同长宽比的桥面板也不断出现。

在桥梁工程设计中,板的计算可根据其长跨边长与短跨边长的比值划分为单向板和双向板。但对于单向板与双向板的临界比值,不同的国家有不同的规定,当桥面板长宽比远大于2时,可按单向板进行分析计算;当长宽比远小于1.5时,可按双向板进行分析计算。但当桥面板的长宽比介于两者之间时,需进行分析确定板的计算类型。本文通过算例证明单、双向板合理的l临界比值。

文献标识码:A如图1所示。

卜、

P2

P2

厶衄玉,

图1

1算例

板跨为6m的梁格体系板桥,其中纵梁尺寸为350

1000

Fllrrl×

有效计算宽度分布及最不利布载布置图

mm;横梁尺寸为300

ITIITI×700

mill。板的厚度为150

mill,

口=一{al+2h+d+号,警+d}乱07m。

其上桥面铺装为:5cm沥青混凝土面层+10crn厚防水混凝土。

7=al+2h+t=0.65

m。

1.1按单向板进行分析

1.1.1

aP=al+2h+t+2×1.1:2.85

m(aP为车轮对应的有效计

恒载引起的弯矩

gl=0.05×1×23=1.15

算分布宽度)。

kN/m。

2)3lI图1所示在汽车车辆荷载作用下,1m宽简支板条的跨中弯矩为:

92=0.15×1×25=3.75kN/m。

g=∑gi

27.4kN/m。

MOP=(1+p);景(2—0.9)=35.12

厶“p

kN・m(其中,卢=o.3)。

g/L14.8kN‘m。M09=-fflu

1.1.2汽车车辆荷载引起的弯矩

1)有效计算宽度及最不利布载的确定:由于本板的计算宽度为4m,可容下两个车轮,故需对其做最不利布载分析,最终确定最不利布载下的内力。该板的荷载分布有效宽度及最不利布载方式

1.1.3

根据美国AASHro规范计算板内力

进行承载能力极限状态效应组合:

Mo=to(1.2Mog+1.4Mop)=1.0X(1.2×14.8+1.4×

35.12)=66.93kN・m。1.1.4

控制截面内力(跨中及支点弯矩)

支点:M=一0.7,M0=一46.85kN・m。[6]

项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2002.

Bridges[S].UK:Wiley-

[3]JTJ027—96,公路斜拉桥设计规范(试行)Is].[4]

范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2006.[5]袁万城.桥梁抗震设计与加固[M].北京:人民交通出版社,

1999.

[7]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,1994.[8]BS5400,DesignManualfor

Blackwell,1990.

Roadsand

Onoptimizingschemeofbridgeshapeof

ZHOUPan

Abstract:According

to

acerosssea

bridgeinHangzhoubay

YUQiong

theconstructionalsituationandnaturalsituationof

SO

aoa隅sea

bridgeinHangzhoubay,underthepr朗fiseofmeeting

use

thereuqireraentsofaviation,lanscapeeffectandusingfunctionand

tion

so

as

on,andabsordingandmaking

of

advanceddesignconcept,construc-

techniqueandconstructionequipment

tO

at

k)nleandabroad,thepaperstudiestheoptimizingschernforacaD鹤seabridgeinHangzhoubay,

accumulateexperieno葛forsuchkindofdesign.

bridge,optimizing

Keywords:accl"o酷sea

sch咖e

ofbridgeshape,generallayout

收稿日期:2009.04.14

作者简介:赵华(1963一),男,工程师,中交第二公路设计研究院有限公司,湖北武汉430056

“山西”7、建9“。,

2009年9筑・318月

.・

第35卷蓑25暂

跨中(板厚与梁肋高度之比=0.15/1<0.25):M=0.5M0=

33.47kN・rll。

1.2按双向板进行分析

1)有限单元的选取。由于桥面板的厚度相对较薄,故可采用具有弯曲恶化薄膜能力的4结点弹性壳体单元SheU63模拟桥面板。

2)边界条件的处理。由于梁肋的抗弯刚度和抗扭刚度较大,可将其视为四周固结板进行分析HJ。

3)车辆荷载的施加。计算时应较精确地将轮压作为分布荷载来处理,这样既避免了较大的计算误差,又能节约桥面板的材料用量[5|。在有限元建模中,将轮压通过桥面铺装分布后作为均布荷载施加在桥面板上。该均布荷载的集度为(根据板宽进行布载,只有4个后轮可以进入加载区域,故P取后轴重量,即140kN):

P/(2×a2×b2)=P42×(a1+2H)×(b1+2H)]=

140

图4长边作为计算跨径时薄板的弯矩图

由图3可知,跨中最大弯矩为心.z尼=12.08

kN・m,支点最

00042x(0.2+2×0.15)×(0.6+2×0.15)]=140000/(2×而荷载布置遵循最不利布载原则。经试算,汽车活载最不利

0.5×0.9)=155556N/m2。

大弯矩为%.o=一28.37kN・m。

比较1.1单向板手算的结果,跨中心,l/2=0.5M0=

33.47kN・m,支点M工.o=一46.85kN・m。

布载的有限元模型如图2所示。

由此可见,采用单向板所得内力对短边跨径方向进行计算,是偏于安全的。

同时,以长边作为计算跨径时桥面板的弯矩图Mj如图4所示。由图4可知,跨中最大弯矩为Mj.』/2=11.82kN・m,支点最大弯矩为Mv.0=一12.74kN・m。

若按单向板计算分析,则在长边跨径方向仅按构造要求配筋。但比较图3,图4不难发现,当板长宽比为1.5时,在短边跨径方向与长边跨径方向均产生较大的内力,故仅仅采用单向板的计算方法是不太可取的,宜采用双向板进行计算分析。此外,图3中桥面板的跨中弯矩大于图4中桥面板的跨中弯矩。

2结语

1)对于桥梁结构的桥面板,宜采用车辆均布荷载进行分析计算,布载时采用最不利布载的原则,若采用建筑结构中常用的满布荷载计算,则需考虑最值效应是否相当;2)单、双向板合理的临

图2

弹性薄板的有限元模型

界比值为2,当桥面板的长边跨径与短边跨径比值介于1.5~2时,宜按双向板对桥梁桥面板进行计算分析;3)桥梁桥面板内力遵循短边优先分布的原则,即沿短跨分配到的内力大于长边分配到的内力。在配筋时,若长边跨径与短边跨径之比介于1.5~2时,可近似采用如下方法进行配筋:在短跨方向按单向板计算,在长边方向,按短边配筋的问距及钢筋直径进行配置。参考文献:

[1]AASHTO14版,美国公路桥设计规范[S].

[2]D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

[s].[3]

李俊,熊辉.高性能混凝土在公路简支板桥中的应用研究[J].山西建筑,2008,34(33):332—333.

[4]徐芝纶.弹性力学(下)[M].第4版.北京:高等教育出版社,

2006:13.

通过有限元分析,得短边作为计算跨径(up横桥向配筋依据)的弯矩图M:(如图3所示)及长边作为计算跨径(即纵桥向配筋

依据)的弯矩图坞(如图4所示)。

圈3

短边作为计算跨径时薄板的弯矩图

[5]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001:204.

Discussion

on

thebridgedeckinternalforcecalculation

ZHAOItua

Abstract:ItpointedOUtthatdifferentlength-w_idthratiohadlarge

influences

orl

bridge

structuraldeckstrI兰s.whichinfluencedbridgedeck

re-

inforednentsdirectly.ThrOUghthepracticalexample.theultimateratioofsingleanddoublewayplatev心studied.Itconcludedthatthesim—piereinforcementmethodofbridgedeckwhenlength—widthratiowasfrom1.5

Key

to

underthevehicleloadingeffect.

words:bridgedeck,one-way

concrete

slab,double-way

concrete

slab,ultimateratio,length-width

ratio

200

第35卷第25期

9年9月

山西

建筑

SHANXIARCHJTEC九IRE

Vd.35No.25Sep.2009

・317・

文章编号:1009.6825(2009}25.0317.02

桥梁桥面板内力计算的探讨

赵华

摘要:指出不同长宽比对桥梁结构桥面板的受力有很大的影响,直接影响桥面板配筋,通过实例对桥面板计算时单、双向板的临界比值进行了研究,并得出了在汽车车辆荷载作用下,长宽比介于1.5~2之间时桥面板的简化配筋方法。关键词:桥面板,单向板,双向板,临界比值,长宽比中图分类号:U443.31

桥面作为桥梁结构中直接承担汽车、人群等外部活载的受力构件,其安全性非常重要。目前,为了施工方便,桥面结构习惯性采用横隔板稀疏布置的方式,因此,桥面板中以单向板居多。但随着城市建设的发展,各种不同结构形式的桥梁不断涌现,各种不同长宽比的桥面板也不断出现。

在桥梁工程设计中,板的计算可根据其长跨边长与短跨边长的比值划分为单向板和双向板。但对于单向板与双向板的临界比值,不同的国家有不同的规定,当桥面板长宽比远大于2时,可按单向板进行分析计算;当长宽比远小于1.5时,可按双向板进行分析计算。但当桥面板的长宽比介于两者之间时,需进行分析确定板的计算类型。本文通过算例证明单、双向板合理的l临界比值。

文献标识码:A如图1所示。

卜、

P2

P2

厶衄玉,

图1

1算例

板跨为6m的梁格体系板桥,其中纵梁尺寸为350

1000

Fllrrl×

有效计算宽度分布及最不利布载布置图

mm;横梁尺寸为300

ITIITI×700

mill。板的厚度为150

mill,

口=一{al+2h+d+号,警+d}乱07m。

其上桥面铺装为:5cm沥青混凝土面层+10crn厚防水混凝土。

7=al+2h+t=0.65

m。

1.1按单向板进行分析

1.1.1

aP=al+2h+t+2×1.1:2.85

m(aP为车轮对应的有效计

恒载引起的弯矩

gl=0.05×1×23=1.15

算分布宽度)。

kN/m。

2)3lI图1所示在汽车车辆荷载作用下,1m宽简支板条的跨中弯矩为:

92=0.15×1×25=3.75kN/m。

g=∑gi

27.4kN/m。

MOP=(1+p);景(2—0.9)=35.12

厶“p

kN・m(其中,卢=o.3)。

g/L14.8kN‘m。M09=-fflu

1.1.2汽车车辆荷载引起的弯矩

1)有效计算宽度及最不利布载的确定:由于本板的计算宽度为4m,可容下两个车轮,故需对其做最不利布载分析,最终确定最不利布载下的内力。该板的荷载分布有效宽度及最不利布载方式

1.1.3

根据美国AASHro规范计算板内力

进行承载能力极限状态效应组合:

Mo=to(1.2Mog+1.4Mop)=1.0X(1.2×14.8+1.4×

35.12)=66.93kN・m。1.1.4

控制截面内力(跨中及支点弯矩)

支点:M=一0.7,M0=一46.85kN・m。[6]

项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2002.

Bridges[S].UK:Wiley-

[3]JTJ027—96,公路斜拉桥设计规范(试行)Is].[4]

范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2006.[5]袁万城.桥梁抗震设计与加固[M].北京:人民交通出版社,

1999.

[7]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,1994.[8]BS5400,DesignManualfor

Blackwell,1990.

Roadsand

Onoptimizingschemeofbridgeshapeof

ZHOUPan

Abstract:According

to

acerosssea

bridgeinHangzhoubay

YUQiong

theconstructionalsituationandnaturalsituationof

SO

aoa隅sea

bridgeinHangzhoubay,underthepr朗fiseofmeeting

use

thereuqireraentsofaviation,lanscapeeffectandusingfunctionand

tion

so

as

on,andabsordingandmaking

of

advanceddesignconcept,construc-

techniqueandconstructionequipment

tO

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k)nleandabroad,thepaperstudiestheoptimizingschernforacaD鹤seabridgeinHangzhoubay,

accumulateexperieno葛forsuchkindofdesign.

bridge,optimizing

Keywords:accl"o酷sea

sch咖e

ofbridgeshape,generallayout

收稿日期:2009.04.14

作者简介:赵华(1963一),男,工程师,中交第二公路设计研究院有限公司,湖北武汉430056

“山西”7、建9“。,

2009年9筑・318月

.・

第35卷蓑25暂

跨中(板厚与梁肋高度之比=0.15/1<0.25):M=0.5M0=

33.47kN・rll。

1.2按双向板进行分析

1)有限单元的选取。由于桥面板的厚度相对较薄,故可采用具有弯曲恶化薄膜能力的4结点弹性壳体单元SheU63模拟桥面板。

2)边界条件的处理。由于梁肋的抗弯刚度和抗扭刚度较大,可将其视为四周固结板进行分析HJ。

3)车辆荷载的施加。计算时应较精确地将轮压作为分布荷载来处理,这样既避免了较大的计算误差,又能节约桥面板的材料用量[5|。在有限元建模中,将轮压通过桥面铺装分布后作为均布荷载施加在桥面板上。该均布荷载的集度为(根据板宽进行布载,只有4个后轮可以进入加载区域,故P取后轴重量,即140kN):

P/(2×a2×b2)=P42×(a1+2H)×(b1+2H)]=

140

图4长边作为计算跨径时薄板的弯矩图

由图3可知,跨中最大弯矩为心.z尼=12.08

kN・m,支点最

00042x(0.2+2×0.15)×(0.6+2×0.15)]=140000/(2×而荷载布置遵循最不利布载原则。经试算,汽车活载最不利

0.5×0.9)=155556N/m2。

大弯矩为%.o=一28.37kN・m。

比较1.1单向板手算的结果,跨中心,l/2=0.5M0=

33.47kN・m,支点M工.o=一46.85kN・m。

布载的有限元模型如图2所示。

由此可见,采用单向板所得内力对短边跨径方向进行计算,是偏于安全的。

同时,以长边作为计算跨径时桥面板的弯矩图Mj如图4所示。由图4可知,跨中最大弯矩为Mj.』/2=11.82kN・m,支点最大弯矩为Mv.0=一12.74kN・m。

若按单向板计算分析,则在长边跨径方向仅按构造要求配筋。但比较图3,图4不难发现,当板长宽比为1.5时,在短边跨径方向与长边跨径方向均产生较大的内力,故仅仅采用单向板的计算方法是不太可取的,宜采用双向板进行计算分析。此外,图3中桥面板的跨中弯矩大于图4中桥面板的跨中弯矩。

2结语

1)对于桥梁结构的桥面板,宜采用车辆均布荷载进行分析计算,布载时采用最不利布载的原则,若采用建筑结构中常用的满布荷载计算,则需考虑最值效应是否相当;2)单、双向板合理的临

图2

弹性薄板的有限元模型

界比值为2,当桥面板的长边跨径与短边跨径比值介于1.5~2时,宜按双向板对桥梁桥面板进行计算分析;3)桥梁桥面板内力遵循短边优先分布的原则,即沿短跨分配到的内力大于长边分配到的内力。在配筋时,若长边跨径与短边跨径之比介于1.5~2时,可近似采用如下方法进行配筋:在短跨方向按单向板计算,在长边方向,按短边配筋的问距及钢筋直径进行配置。参考文献:

[1]AASHTO14版,美国公路桥设计规范[S].

[2]D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

[s].[3]

李俊,熊辉.高性能混凝土在公路简支板桥中的应用研究[J].山西建筑,2008,34(33):332—333.

[4]徐芝纶.弹性力学(下)[M].第4版.北京:高等教育出版社,

2006:13.

通过有限元分析,得短边作为计算跨径(up横桥向配筋依据)的弯矩图M:(如图3所示)及长边作为计算跨径(即纵桥向配筋

依据)的弯矩图坞(如图4所示)。

圈3

短边作为计算跨径时薄板的弯矩图

[5]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001:204.

Discussion

on

thebridgedeckinternalforcecalculation

ZHAOItua

Abstract:ItpointedOUtthatdifferentlength-w_idthratiohadlarge

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orl

bridge

structuraldeckstrI兰s.whichinfluencedbridgedeck

re-

inforednentsdirectly.ThrOUghthepracticalexample.theultimateratioofsingleanddoublewayplatev心studied.Itconcludedthatthesim—piereinforcementmethodofbridgedeckwhenlength—widthratiowasfrom1.5

Key

to

underthevehicleloadingeffect.

words:bridgedeck,one-way

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slab,double-way

concrete

slab,ultimateratio,length-width

ratio


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