某无梁板桥结构分析与设计优化.docVIP

某无梁板桥结构分析与设计优化 　　摘要：无梁板桥是用墩柱直接支承板式上部构造的一种新型桥梁，常用于结构高度受限的工程中。本文以马鞍山慈湖街桥为例，对比分析了平面杆系有限元和空间有限元分析方法对无梁板桥结构分析的适用性，并通过参数化分析，优化了结构设计，对其它类似工程具有一定的参考意义。 　　关键词：无梁板桥；结构分析；优化设计； 　　0、引言 　　无梁板桥是用墩柱直接支承板式上部构造的一种新型桥梁，这种桥型整体受力好，板体不单纵横向两方向，而且视支承情况可以任意方向共同受力，在与墩柱固结情况下还可以上、下部结构共同受力，其直接效果就是减小上部结构的高度，这对结构高度受限的工程无疑是大有裨益的。 　　1、项目概况 　　慈湖街桥位于马鞍山市向山区慈湖路上，桥梁呈东、西向横跨慈湖河，现有老桥经检测已成危桥，须拆除重建，新建桥梁总长度为60m，双向4车道规模，桥梁总宽30m。因新建桥梁的梁底标高比老桥抬高了约1m，而桥头接坡段均为沿街商铺，拆迁困难，因此设计考虑采用无梁板桥，降低结构高度，减少桥头接坡段的处理长度，降低工程造价。 　　2、总体布置 　　慈湖街桥跨径布置为18+24+18m，桥梁中心线与道路中心线之法线逆交10°。上部结构顺桥向采用变截面形式，跨中及桥台处厚0.45m，中墩墩顶处厚1.1m，过渡段长度为7m，桥墩与板固结，桥台处设四氟板多向滑动支座。横断面上，桥梁两侧各布置长度为1m的挑臂，除挑臂外，同一断面上的梁板为等厚布置，桥墩为墙式墩，墩身厚度为0.8m。 　　3、结构分析方法与结构优化设计 　　3.1 分析方法的选择 　　无梁板结构在竖向荷载作用下受力性能与一般梁结构有很大不同，呈现出空间受力的特点，过去一般采用简化的荷载有效分布宽度法，但其应用是有条件的，如跨度必须远大于板宽，板在横向的支承应接近线支承。随着有限元理论和应用程序的迅速发展，求解无梁板结构已经变得比较简便，目前应用较多的有限单元法是以桥梁博士为代表的平面杆系有限元程序和以Midas为代表的空间有限元（包括空间杆系、板、实体等）程序。平面杆系有限元程序建模简单快速，空间有限元程序建模相对繁琐，但精度较高，为保证设计合理性，对两种有限元程序的计算结果进行了对比，如下表所示： 　　表1 杆系模型与空间模型计算结果对比表 　　类别 　　恒载（kN*m/m） 　　汽车荷载（kN*m/m） 　　基本组合（kN*m/m） 　　Mmax 　　Mmin 　　Mmax 　　Mmin 　　Mmax 　　Mmin 　　杆系模型 　　248 　　-1290 　　106 　　-247 　　607 　　-2295 　　空间模型 　　319 　　-1789 　　162 　　-355 　　649 　　-3059 　　空间/杆系 　　1.29 　　1.39 　　1.53 　　1.44 　　1.07 　　1.33 　　从上表中可以看出，杆系模型的计算结果误差可以达到40%以上，这是由无梁板桥的空间受力特性决定的；另外，平面杆系模型只能给出纵向的受力情况，而空间模型可以同时给出横桥向和纵桥向的内力极值，便于两个方向的钢筋配置，因此，本文采用有限元程序MIDAS Civil对无梁板进行空间分析，以揭示结构受力特点并对设计进行优化。 　　3.2 单元类型和边界条件 　　本工程桥梁全长60m，三跨布置，桥型采用无梁板桥，由于桥面形状规则，同时考虑到桥墩处板的厚度已经属于中厚板，因此桥面板采用了Midas/Civil的4节点等参数单元DKMQ，它是以厚板理论（Mindlin-Reissner Plate Theory）为基础开发的，可以直接给出单位宽度上的弯矩，对于板的截面配筋十分方便。板单元一般按照0.5m大小进行离散划分，在截面变厚段、支承位置以及活载车道面边界处内插加密，变厚度板以离散后的单元对应结构的平均厚度输入。 　　桥墩处板与墩身固结，模型中采用主从约束模拟；桥台处布置板式橡胶支座，模型中采用节点支承模拟，约束竖向自由度。 　　图1 计算模型 　　3.3 作用（荷载） 　　根据桥梁实际情况，考虑了结构自重（包括结构附加重力）、基础变位作用、汽车荷载（含冲击力）、人群荷载、温度作用。其中活载均以影响面进行加载，比影响线加载更符合结构实际受力状况。 　　3.4 结构优化设计 　　为保证桥梁结构受力的合理性，从跨径布置、墩身尺寸等方面进行了设计优化分析。 　　（1）跨径组合 　　本工程桥梁总长是确定的，通过调整边、中跨的比例，可以有效地改变结构内力，得到最优地跨径组合，使其受力合理，同时也可以降低造价，下表中列出了各种跨径组合下结构的内力情况： 　　表2 不同跨径组合下的