尼宏杰 ，尼穎升

(1.漯河市市政管理處，河南漯河 462000;2.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海市 200092)

箱形結(jié)構(gòu)橋梁分析方法比較

尼宏杰1，尼穎升2

(1.漯河市市政管理處，河南漯河 462000;2.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海市 200092)

闡述三自由度平面桿系、六自由度空間桿系、七自由度空間梁?jiǎn)卧?、Hambly平面梁格、實(shí)體有限元及空間網(wǎng)格分析方法的特點(diǎn)，分析了橋梁設(shè)計(jì)驗(yàn)算中存在的問題。通過比較各分析方法，得出精細(xì)化分析方法可使箱形結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)得更經(jīng)濟(jì)的結(jié)論。

平面梁格;空間桿系;實(shí)體模型;箱梁;空間網(wǎng)格分析方法

0 引言

目前，箱梁結(jié)構(gòu)由于其外觀優(yōu)美、受力性能較好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在公路、鐵路建設(shè)中應(yīng)用廣泛。箱梁按材料組成分為:混凝土梁、鋼-混凝土組合梁、鋼梁;按截面形式分:單箱單室、單箱多室、多箱多室等。在簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、斜拉橋、懸索橋及拱橋等橋型中均有應(yīng)用［1］。

我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范如《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，由原來的85規(guī)范發(fā)展到目前的JTG D06-2004，到即將發(fā)布的新版《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)其中的設(shè)計(jì)計(jì)算方法做了逐步調(diào)整和完善，尤其是新版橋規(guī)添加了大篇幅的精細(xì)化分析方法---空間網(wǎng)格分析方法。這說明，目前的箱梁結(jié)構(gòu)分析方法實(shí)用、簡(jiǎn)化，但不精細(xì)化。

文中以常用的分析方法(三自由度平面桿系、六自由度空間桿系、七自由度空間梁?jiǎn)卧?、Hambly平面梁格［2］、實(shí)體有限元及空間網(wǎng)格模型)介紹為路線，依次闡述各個(gè)分析方法的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，從而進(jìn)行對(duì)比分析，得出箱梁結(jié)構(gòu)實(shí)用精細(xì)化分析方法的優(yōu)勢(shì)。

1 三自由度平面桿系和六自由度空間桿系的計(jì)算方法

采用三自由度梁?jiǎn)卧钠矫鏃U系計(jì)算方法是橋梁結(jié)構(gòu)最常用的計(jì)算方法，由于不能考慮截面內(nèi)部的超靜定剪應(yīng)力分布，故一般采用開口截面的計(jì)算方法計(jì)算截面剪應(yīng)力，如前所述，采用開口截面的剪應(yīng)力計(jì)算方法只對(duì)于單箱單室截面的腹板彎曲剪應(yīng)力計(jì)算是正確的。

不同于三自由度梁?jiǎn)卧钠矫鏃U系模型，采用圖1所示的六自由度空間梁?jiǎn)卧梢杂?jì)算偏心荷載下的扭矩，并可以采用薄壁效應(yīng)算法計(jì)算箱梁截面的扭轉(zhuǎn)剪力流。但是，這種方法無法分離自由扭轉(zhuǎn)和約束扭轉(zhuǎn)，故無法準(zhǔn)確計(jì)算薄壁箱梁截面的自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力、約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和約束扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力，故往往仍然只能采用“放大系數(shù)”進(jìn)行估算。

圖1 箱梁六自由度單梁模型

在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，預(yù)應(yīng)力混凝土直線箱梁橋一般對(duì)彎矩和剪力采用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)放大系數(shù)加以估算，即對(duì)活載彎矩放大15%，對(duì)活載剪力放大5%，即:

式中:Mg、Vg為恒載引起的彎矩和剪力;MP、VP為活載引起的彎矩和剪力。

上述經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是由過去較窄的直箱梁橋得到的。由于預(yù)應(yīng)力技術(shù)和橋梁施工方法的進(jìn)展，現(xiàn)在箱梁橋截面均較寬，一般為3～4個(gè)行車道，顯然活載偏載的效應(yīng)比窄箱梁要大許多，上式中的經(jīng)驗(yàn)放大系數(shù)已經(jīng)明顯偏小，無法精確考慮箱梁的空間薄壁效應(yīng)(包括扭轉(zhuǎn)和畸變)和剪力滯效應(yīng)。

另外，對(duì)于箱梁橋的橫向框架包括橋面板局部的受力分析，需要與縱向效應(yīng)分析分開，單獨(dú)建立其它模型進(jìn)行分析，兩者的分析結(jié)果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中配合使用。該方法的計(jì)算特點(diǎn)及對(duì)箱梁間受力的分析情況見表1。

表1 箱梁橋現(xiàn)行主要計(jì)算方法比較一覽表

2 七自由度或超越七自由度的空間梁?jiǎn)卧?jì)算方法

在六自由度的基礎(chǔ)上，增加截面上的約束扭轉(zhuǎn)雙力矩作為第七個(gè)自由度，便可以計(jì)算箱梁截面的約束扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，包括約束扭轉(zhuǎn)翹曲正應(yīng)力和約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。增加截面上的畸變雙力矩作為第八個(gè)自由度，便可以計(jì)算箱梁截面的畸變效應(yīng)，包括畸變翹曲正應(yīng)力和畸變剪應(yīng)力。由于混凝土箱梁周邊變形受加腋及橫隔梁的約束，所以七自由度針對(duì)的約束扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更為關(guān)鍵。七自由度的本質(zhì)便是能將扭轉(zhuǎn)效應(yīng)分離成自由扭轉(zhuǎn)和約束扭轉(zhuǎn)。采用七自由度空間直梁?jiǎn)卧?jì)算方法可以計(jì)算薄壁效應(yīng)較大的彎橋，但由于計(jì)算方法仍然需要滿足全截面的平截面假定，所以對(duì)于較寬橋面的箱梁橋會(huì)有誤差。

對(duì)于箱梁截面的整體受力來說，雖然這種計(jì)算方法不夠完整，但大大有助于工程設(shè)計(jì)人員理解箱梁的空間效應(yīng)，同時(shí)也適用于較大范圍的箱梁橋結(jié)構(gòu)。特別對(duì)于大跨徑混凝土箱梁橋，由于平截面假定比較適合，荷載效應(yīng)以恒載為主，按薄壁理論計(jì)算箱梁截面上的恒載彎曲剪應(yīng)力是比較重要的，故對(duì)于大跨徑混凝土箱梁橋和較窄截面的彎箱梁橋(如立交匝道橋)，該方法仍然具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。該方法的計(jì)算特點(diǎn)及對(duì)箱梁空間受力的分析情況見表1。

3 Hambly平面梁格計(jì)算方法

平面梁格模型的主要思路是將上部結(jié)構(gòu)用一個(gè)等效梁格來模擬，將分散在箱梁每一區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi)，而橫向剛度則集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)。從理論上要求:當(dāng)原型實(shí)際結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的等效梁格承受相同荷載時(shí)，兩者的撓曲應(yīng)恒等，并且每一梁格內(nèi)的彎矩、剪力和扭矩等于該梁格所代表的實(shí)際結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)力。

許多學(xué)者對(duì)這一模型進(jìn)行了相關(guān)研究，這里主要對(duì)Hambly平面梁格加以介紹。Hambly平面梁格法［2］是指將如圖2所示的板單元用如圖3所示的正交梁格模擬，正交梁格主要考慮具有面外的3個(gè)自由度，即扭矩、面外彎矩和面外豎向剪力。

圖2 板單元受力示意

圖3 板單元用Hambly平面梁格模擬

在應(yīng)用于箱梁橋時(shí)，Hambly平面梁格方法認(rèn)為截面的劃分十分重要，它直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)原型與比擬梁格間的“等效”程度以及最終的計(jì)算精度。圖4為一個(gè)單箱雙室截面的平面梁格劃分，梁格中包含有3根主要的縱向構(gòu)件(2、3和4)和2根懸臂處構(gòu)件(1和5)。由于實(shí)際橋梁是繞整體截面的中性軸彎曲的，因此分?jǐn)偟礁骺v向梁格構(gòu)件(指腹板處構(gòu)件)的慣性矩必須按照繞整體箱形截面的中性軸來計(jì)算，而在劃分梁格時(shí)也應(yīng)盡可能使各主要縱向構(gòu)件的中性軸位于同一條線上。切口處的箱梁剪力流如圖5所示。

圖4 箱形截面梁格劃分圖示

圖5 箱形截面梁格劃分后剪力流圖示

在梁格分割方法上，梁格應(yīng)取在箱梁截面的腹板上，并盡量使各單梁的計(jì)算軸線與整體箱梁的截面軸線相同，其代價(jià)是每根單梁需要另外考慮剪力滯效應(yīng);在截面特性參數(shù)取用上，Hambly梁格將箱梁截面整體的效應(yīng)分?jǐn)偟礁鲉瘟焊裆希菃为?dú)計(jì)算;并采用經(jīng)過選擇的橫梁剪切面積來近似模擬箱梁截面的畸變。

Hambly平面梁格縱橫向梁格單元的截面特性計(jì)算方法簡(jiǎn)述如下。

3.1 縱向梁格

(1)抗彎剛度

Hambly平面梁格系中各單根縱梁的抗彎剛度為箱梁截面整體抗彎剛度的1/n，n為縱向梁格數(shù)，即:

(2)抗扭剛度

Hambly平面梁格系中各單根縱梁的單位寬度抗扭剛度按沒有腹板的單位寬度箱梁截面計(jì)算，即:

(3)剪切面積

Hambly平面梁格系中各單根縱梁的剪切面積即為單梁真實(shí)面積。

3.2 橫向梁格

(1)抗彎剛度

Hambly平面梁格系中各單根橫梁的單位長(zhǎng)度抗彎剛度按箱梁頂?shù)装鍢?gòu)成的截面計(jì)算，若橫向梁格內(nèi)包括有橫隔板，則慣性矩應(yīng)計(jì)入橫隔板影響，即:

(2)抗扭剛度

Hambly平面梁格系中各單根橫梁的單位寬度抗扭剛度按沒有腹板的單位寬度箱梁截面計(jì)算，即:

(3)剪切面積

用選擇的橫向剪切面積近似模擬箱梁截面的畸變是Hambly平面梁格系計(jì)算方法的一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)箱梁結(jié)構(gòu)僅有少數(shù)或沒有橫隔板時(shí)，則橫貫格室的垂直力將導(dǎo)致頂板、底板和腹板發(fā)生如圖6所示的畸變。這種受力情況在Hambly平面梁格系計(jì)算方法中作如下的近似處理，即選擇橫向梁格構(gòu)件的剪切剛度，使箱梁承受同樣的剪力時(shí)，梁格構(gòu)件與實(shí)際結(jié)構(gòu)產(chǎn)生同樣的剪切變形。

圖6 箱形截面梁格的畸變

為了求出橫向梁格的等效剪切面積，必須建立垂直剪力Q與剪切位移Ws之間的關(guān)系。用精確方法建立該式是相當(dāng)復(fù)雜的，假定剪力在頂板、底板之間按其彎曲剛度的比例進(jìn)行分布，并且腹板中間有反彎點(diǎn)，這樣就可以比較簡(jiǎn)單地建立單位寬度剪力與位移間的近似關(guān)系:

式中:V1為每單位寬度剪力;As為構(gòu)件的等效剪切面積。

于是，橫向梁格構(gòu)件每單位寬度的等效剪切面積為:

對(duì)于剪力柔性梁格構(gòu)件，單位寬度的剪力和剪切位移間的關(guān)系為:

當(dāng)橫向構(gòu)件代表具有橫隔板的箱室部分時(shí)，As應(yīng)計(jì)入橫隔板的面積。

Hambly平面梁格能夠計(jì)算箱型截面的空間效應(yīng)，整個(gè)截面不需要滿足平截面假定，特別適合多室寬箱梁的空間計(jì)算。對(duì)于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，Hambly梁格將扭轉(zhuǎn)換算成腹板的剪力，從而部分解決了寬箱梁腹板的剪力計(jì)算問題。但是，Hambly平面梁格“簡(jiǎn)化”后的柔細(xì)梁仍帶有空間效應(yīng)，如剪力滯效應(yīng);這種柔細(xì)梁也無法計(jì)算箱梁頂?shù)装宓拿鎯?nèi)剪應(yīng)力。同時(shí)，Hambly平面梁格的橫梁主要的功能是荷載在橫向的傳遞，而不能計(jì)算截面橫向框架受力效應(yīng)(包括橋面板局部效應(yīng))以及箱梁截面橫向畸變效應(yīng)。從本質(zhì)上來說，Hambly平面梁格的目標(biāo)是針對(duì)較寬的多腹板箱梁截面上緣、下緣的一維正應(yīng)力的，仍然無法算清楚箱梁截面中至關(guān)重要的二維主應(yīng)力。該方法的計(jì)算特點(diǎn)及對(duì)箱梁空間受力的分析情況見表1。同時(shí)，由于片面強(qiáng)調(diào)截面分割方式，忽視橫梁作用，所以導(dǎo)致計(jì)算模型煩雜，且應(yīng)用范圍非常狹窄。

4 實(shí)體有限元計(jì)算方法

實(shí)體、板殼有限元模型的優(yōu)點(diǎn)是適用性廣［3］，可以用來模擬任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括各種箱室及橫隔梁對(duì)結(jié)構(gòu)形式的影響;計(jì)算效應(yīng)可以自動(dòng)考慮剪力滯、薄壁效應(yīng)及局部荷載效應(yīng)等。但是這種模型的分析結(jié)果包含了整體荷載效應(yīng)和局部荷載效應(yīng)，不能直接用來根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范公式進(jìn)行配筋設(shè)計(jì);另外，全部采用實(shí)體單元對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，目前尚達(dá)不到工程實(shí)用要求。因此，實(shí)體、板殼有限元模型通常用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的局部受力分析及探尋應(yīng)力分布規(guī)律，而用更簡(jiǎn)便的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體荷載效應(yīng)分析。實(shí)體單元分析方法的計(jì)算特點(diǎn)及對(duì)箱梁空間受力的分析情況見表1。

綜上所述，各種分析方法都有它的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用方面的限制之處，這對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析乃至配筋設(shè)計(jì)方面(涉及到混凝土結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性)都有一定的影響。因此，需要找到具有廣泛適用性的分析方法(既能完整反應(yīng)結(jié)構(gòu)空間受力效應(yīng)，又能適合規(guī)范配筋設(shè)計(jì)要求)，即實(shí)用精細(xì)化的分析方法。

5 空間網(wǎng)格分析方法

在結(jié)構(gòu)分析中，可以將復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)離散成由多塊板構(gòu)成，再將每一個(gè)板元由十字交叉的正交梁格組成，以十字交叉的縱橫梁(六自由度梁?jiǎn)卧?的剛度等代成板的剛度，一片正交梁格就像是一張“網(wǎng)”，一個(gè)結(jié)構(gòu)由多少塊板構(gòu)成，就可以用梁格表示成多少?gòu)垺熬W(wǎng)”。這樣，空間橋梁結(jié)構(gòu)可以用空間網(wǎng)格來表達(dá)。

如圖7所示，一個(gè)單箱單室箱梁截面可以分解為頂板、底板以及多塊腹板構(gòu)成，箱形截面梁所離散成的“板”就可以用正交梁格模型來模擬。由于這些“板”位于不同的平面內(nèi)，代表它們的正交梁格也在不同的平面內(nèi)(對(duì)于彎梁橋?yàn)榍?，不同平面內(nèi)的正交梁格將箱形截面梁離散為一個(gè)空間“網(wǎng)”狀模型，可以形象地稱為“空間網(wǎng)格”模型［4-8］。

圖7 空間網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化原理示意

建立空間網(wǎng)格模型時(shí)，縱向可依據(jù)單梁有限元?jiǎng)澐址绞絼澐?即考慮的因素通常為結(jié)構(gòu)受力、自然施工劃分等);截面內(nèi)部劃分的疏密程度宜根據(jù)截面形式和計(jì)算要求確定，它反映了表達(dá)空間效應(yīng)的精細(xì)化程度。空間網(wǎng)格模型截面劃分時(shí)將腹板分塊［5，6］。腹板與頂、底板均劃分，對(duì)應(yīng)的截面劃分及網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 空間網(wǎng)格模型的截面劃分方式示意圖

按圖9離散后所得的空間網(wǎng)格模型中，截面主要有以下3種:腹板整體截面、腹板劃分截面、縱橫向頂?shù)装鍎澐纸孛?。這些截面及特性計(jì)算與傳統(tǒng)梁?jiǎn)卧孛嫣匦杂?jì)算一致，由離散后實(shí)際截面尺寸計(jì)算。

圖9 空間網(wǎng)格模型常用截面

這里以圖10所示的矩形截面為例，說明網(wǎng)格模型中常用截面的截面特性計(jì)算方法:

圖10 空間網(wǎng)格模型常用截面特性計(jì)算示意圖

軸向面積:

剪切面積:

抗彎慣矩:

截面劃分后，劃分截面的抗扭慣矩對(duì)整體截面的影響相當(dāng)有限，故抗扭慣矩可采用如下簡(jiǎn)化公式計(jì)算:

空間網(wǎng)格模型即將薄壁箱形截面視為由若干塊板組成，對(duì)每一塊板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用劃分后的網(wǎng)格來等效代替各個(gè)板的受力。由于空間網(wǎng)格模型將頂?shù)装鍎澐值幂^密，可以分析出頂?shù)装宓募袅?yīng)，且不需要計(jì)算有效分布寬度。箱梁的剛性扭轉(zhuǎn)效應(yīng)通過空間網(wǎng)格縱橫單元之間的相互作用，反映在各個(gè)梁格的剪應(yīng)力分布上;空間網(wǎng)格模型同樣可以實(shí)現(xiàn)在荷載作用下截面的畸變分析以及截面各個(gè)板件的橫向彎曲變形分析［8，9］。

在用空間網(wǎng)格模型中，截面荷載效應(yīng)分擔(dān)如下:

(1)箱梁截面的縱向效應(yīng)(如軸力、彎矩)由縱向梁格承受;

(2)箱梁截面的橫向效應(yīng)(如畸變、活載橫向效應(yīng)等)由橫向梁格承受;

(3)箱梁截面的扭轉(zhuǎn)、畸變效應(yīng)轉(zhuǎn)化為腹板梁格的剪力。

在空間網(wǎng)格模型中，通過分析計(jì)算可以得到組成網(wǎng)格的各部分截面(腹板整體截面或腹板劃分截面)的內(nèi)力(包括軸力、彎矩、剪力、扭矩)，單元內(nèi)力按照單元?jiǎng)偠冗M(jìn)行分配，對(duì)不同的截面形式，荷載效應(yīng)的計(jì)算方式分別如下所述。

一般用于模擬網(wǎng)格模型中的箱梁頂板和底板，主要承受軸力Nx，Ny，面內(nèi)剪力Vxy以及面外彎矩Mx，My。如圖11所示，沿著單元厚度均勻分布的薄膜效應(yīng)(membrane)和頂?shù)装宓木植亢奢d效應(yīng)(沿著單元厚度線性變化的出平面彎曲正應(yīng)力)可以通過“劃分截面”完全體現(xiàn)出來。

圖11 空間網(wǎng)格模型“劃分截面”效應(yīng)計(jì)算示意圖

(1)面外正應(yīng)力

式中:σx為截面x向正應(yīng)力;σy為截面y向正應(yīng)力;z為計(jì)算正應(yīng)力應(yīng)力點(diǎn)至截面重心軸的距離，重心軸以上取正值;Ix、Iy為垂直于y軸或x軸的截面繞各自截面重心軸慣性矩;Mx、My為垂直于y軸或x軸的截面繞各自截面重心軸彎矩。

(2)面內(nèi)正應(yīng)力

式中:σx-m為截面中面x向正應(yīng)力;σy-m為截面中面y向正應(yīng)力;bx、by為截面中垂直于x向或y向截面的寬度;hx、hy為截面中垂直于x向或y向截面的高度。

(3)面內(nèi)剪應(yīng)力

空間網(wǎng)格模型不僅能夠準(zhǔn)確分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空間受力狀態(tài)，而且其輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果(以單元桿端力的方式輸出)是各個(gè)梁格單元的內(nèi)力、應(yīng)力及位移，可以方便得到結(jié)構(gòu)不同部位的受力狀態(tài)，并且和現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范直接對(duì)應(yīng)，從而有針對(duì)性地指導(dǎo)橋梁各部分的配筋設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)分析有重要意義。

空間網(wǎng)格模型中的各塊“板”共同作用構(gòu)成箱形截面梁獨(dú)特的全截面抗彎、抗扭與抗剪剛度。這些板可以是鋼的，可以是混凝土的，或其它任意材料的。于是，這些板元便可以“組合”成全混凝土截面、全鋼截面、部分是鋼部分是混凝土的截面(鋼-混凝土疊合梁)，以及其它任意幾種不同材料組成的截面。所以空間網(wǎng)格模型適用于彎橋、斜橋、寬橋、組合梁等各種橋型，不受具體結(jié)構(gòu)形式的限制［7，8］。

(4)面內(nèi)主拉應(yīng)力σt和主壓應(yīng)力σc按下式計(jì)算:

6 橋梁設(shè)計(jì)驗(yàn)算中存在的問題及各分析方法比較

6.1 橋梁設(shè)計(jì)驗(yàn)算中存在的問題

規(guī)范誕生時(shí)的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果與規(guī)范的要求是協(xié)調(diào)的，當(dāng)時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)基本均由柔細(xì)梁組成，如由多道簡(jiǎn)支T梁或空心板組成的梁格結(jié)構(gòu)、構(gòu)件形式與規(guī)范協(xié)調(diào)。隨著橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，特別是箱型截面梁開始使用后，結(jié)構(gòu)越來越大型化，結(jié)構(gòu)體系也越來越多樣。這些橋梁的結(jié)構(gòu)形式和受力類型已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范“原型結(jié)構(gòu)”所定義的結(jié)構(gòu)特征。這表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［8，9］。

第一，箱型截面梁的剪力流在截面內(nèi)部是超靜定的，即截面頂?shù)装宓募袅κ敲鎯?nèi)的，可以承剪的范圍不應(yīng)僅指截面的腹板，也應(yīng)包括廣義的受剪單元。如在采用箱梁截面的任意結(jié)構(gòu)中(包括斜拉橋等索結(jié)構(gòu))，受剪單元應(yīng)包括箱梁的頂板和底板;在鋼-混凝土疊合梁中，面內(nèi)受剪單元應(yīng)包括混凝土橋面板。

第二，箱梁截面變得較寬，尤其對(duì)于索結(jié)構(gòu)橋梁，如斜拉橋或部分斜拉橋中，橋面更寬，結(jié)構(gòu)不再“柔細(xì)”，全截面平均受力的平截面假定不再適用，且結(jié)構(gòu)本身與規(guī)范的柔細(xì)單梁“原型結(jié)構(gòu)”差異極大。

第三，連續(xù)梁以及斜拉橋等索結(jié)構(gòu)的大量使用對(duì)各國(guó)規(guī)范的影響各不相同。對(duì)于抗剪配筋理論采用桁架模型為基礎(chǔ)的美國(guó)ACI規(guī)范、歐洲規(guī)范(包括CEB-fip模式規(guī)范)影響較小，因?yàn)樗鼈儽緛砭突静豢紤]混凝土的抗剪貢獻(xiàn)(歐洲規(guī)范全不考慮)，特別是在正負(fù)彎矩交界的反彎點(diǎn)區(qū)域影響不大;而采用脫離體模型的我國(guó)規(guī)范就影響較大，結(jié)構(gòu)受力特征超出了我國(guó)規(guī)范“原型結(jié)構(gòu)”的彎剪定義范疇。

這些情況使基于單根柔細(xì)梁的混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范“不堪重負(fù)”。為了將規(guī)范更廣泛地應(yīng)用于所有結(jié)構(gòu)，規(guī)范研究及制訂部門和設(shè)計(jì)單位均做了大量的努力。對(duì)于大型、復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)，一方面采用設(shè)計(jì)計(jì)算向規(guī)范“靠攏”的方法:如采用放大系數(shù)的方法來綜合考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，以及在橋梁結(jié)構(gòu)中采用有效分布寬度，目的都是將寬橋“變窄”以適應(yīng)規(guī)范中柔細(xì)單梁采用的全截面的配筋方法，使結(jié)構(gòu)計(jì)算與規(guī)范規(guī)定盡量吻合;另一方面采用規(guī)范盡量“外延”的方法，以盡量擴(kuò)大規(guī)范適用范圍，如我國(guó)規(guī)范中將抗剪設(shè)計(jì)方法中的剪跨比廣義化，使之能同樣應(yīng)用于連續(xù)梁橋及其它復(fù)雜體系橋梁。

規(guī)范和設(shè)計(jì)計(jì)算“兩邊靠攏”的方法，使現(xiàn)行規(guī)范體系繼續(xù)勉強(qiáng)適用于不同的橋梁結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于完全超出規(guī)范范疇的“新型”結(jié)構(gòu)，如鋼-混凝土疊合梁、FRP結(jié)構(gòu)等，則基本上需要仿照規(guī)范“原型結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)理論和試驗(yàn)方法再來一遍，以使其表達(dá)方式與現(xiàn)行規(guī)范體系相協(xié)調(diào)。

目前設(shè)計(jì)方法中的驗(yàn)算內(nèi)容是有缺失的，即一個(gè)箱梁結(jié)構(gòu)需要驗(yàn)算的應(yīng)力不能僅僅只有簡(jiǎn)單橋梁的截面上下緣正應(yīng)力和腹板主應(yīng)力，而需要包括更完整的驗(yàn)算應(yīng)力［8］。

6.2 各分析方法比較

空間桿系模型缺乏空間效應(yīng)精細(xì)化分析，如剪力滯效應(yīng)、有效分布寬度問題、偏載系數(shù)問題等。由于平面梁格法在等效原理上的近似性，不能準(zhǔn)確反映箱形組合梁的剪應(yīng)力分布和頂?shù)装寰植渴芰?，?shí)體模型很難和總體計(jì)算相結(jié)合，而空間網(wǎng)格模型可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化分析，并且具有分析完整性、驗(yàn)算應(yīng)力全面性，彌補(bǔ)了目前分析方法的不足。

7 結(jié)論

通過比較分析各分析方法的特點(diǎn)，可得出以下幾條結(jié)論:

(1)空間桿系、平面梁格方法是設(shè)計(jì)中常用方法，其計(jì)算簡(jiǎn)便、快捷，精度在一定情況下可以滿足要求;實(shí)體有限元對(duì)局部、塊體分析有較好效果，但不能指導(dǎo)配筋。

(2)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)分析的最終目的是為了配筋。實(shí)用精細(xì)化分析方法中的“實(shí)用”是為區(qū)別于塊體單元有限元分析方法，塊體分析雖然在某些方面更為精細(xì)，但尚未完全適用橋梁結(jié)構(gòu)整體分析(預(yù)應(yīng)力、活載、時(shí)間效應(yīng)等)，而且分析結(jié)果混淆局部效應(yīng)和整體效應(yīng)，與配筋建立直接聯(lián)系尚存較大困難?！熬?xì)化”是指其分析相比傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)和方法，其計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果更為完整和精細(xì)，并能解釋現(xiàn)行理論體系或工程實(shí)際中難以解答或解決的問題(大跨徑橋梁開裂下?lián)稀⒓羟信浣钤O(shè)計(jì)、病害橋梁的維修及加固等)。

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U441

A

1009-7716(2015)04-0150-07

2014-11-18

尼宏杰(1964-)，男，河南漯河人，高級(jí)工程師，從事市政工程設(shè)計(jì)工作。