槽型梁横向受力分析探讨

２０１７血　青海师范大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｉｎｇｈａｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　第２期　２０１７　ＮＯ．２　槽型梁横向受力分析探讨　孙丽霞　，李永虎　，顾晓燕　，赵　静　，栾秋梅　（１．青海交通职业技术学院，青海西宁８１０００３；２．西宁金智电子有限公司，青海西宁８１００００）　摘要：槽形梁是一种复杂的空间结构，即空问板梁组合结构．由于其在结构受力上的明显特点，造成了它对力学分析计算的高要　求，同时构造处理上的要求也很高．国内城市轨道交通上槽形梁的应用目前还处于新兴发展阶段，有必要进一步对槽形梁结构进　行深入研究．本文采用Ｍｉｄａｓ／ＦＥＡ程序建立横向分析模型，通过对比三跨连续槽型梁和单跨槽型梁横向应力，得出相关分析结　果，为同类型的槽形梁设计提供一定的参考．　关键词：槽型梁；空间板梁；横向应力；城市轨道　中图分类号：Ｕ４４２．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—７５４２（２０１　７）Ｏ２—００７４—０４　１　引言　预应力混凝土槽形梁（简称槽形梁）主要由主梁、道床板和端横梁等组成，外部荷载通过道床板一主梁　（端横梁）一支座的途径传力．与常规的Ｔ梁和箱梁比较，槽型梁具有建筑高度低的特点，能够使结构下部的　净空增大，使路基的路堤高度得到减小，可明显降低工程造价．与同跨度的钢梁相比较，造型更加美观，降低　噪声效果更明显，同时抗震性能也更优越，因此槽型梁适用于高速铁路与城市轨道交通桥梁．　槽形梁结构受力上的特点，主要有以下几点：一、受扭性能差；二、桥面板弯矩受主梁的扭转刚度影响较　大；三、主梁腹板下端承受垂直方向吊拉力影响较大；四、梁腹板受力与桥面板及横梁连接构造复杂．目前，预　应力混凝土槽形梁已建的和在建的主要有两种结构形式，即简支和连续两种形式．槽形梁的预应力体系通常　采用纵、横双向预应力体系或纵、横、竖三向预应力体系．国内城市轨道交通上槽形梁的应用逐年增多，处于　新兴发展阶段，因此有必要对槽型梁结构受力行为做更为深入的分析．　２　确定研究对象和模型的建立　２．１确定研究对象　某单线铁路，设计速度为１６０ｋｍ／ｈ，采用有碴桥面，由于受净空限制，以及槽型梁在造价、养护、减噪和　抗振性能等方面的优势，选择３２ｍ＋４８ｍ＋３２ｍ后张法预应力混凝土连续槽形梁，计算跨度为３２ｍ＋４８ｍ＋　３２ｍ，采用满布支架整体现浇施工，边支座中心线至梁端０．５５ｍ，梁长为１１３．１ｍ．全梁采用等高度，梁高　３．５ｍ，支点处道床板局部加厚，梁高４．１ｍ．　主梁腹板厚度０．４５ｍ，在支座及梗肋处局部加厚至０．７ｍ；上翼缘宽１．２ｍ，厚０．６５ｍ；道床板跨中厚　０．５０７ｍ，板边厚０．４５ｍ，形成２　，ｏ４的横向流水坡，支点处设置横梁，高１．０５ｍ，边支点处宽度１．１ｍ，中支点处　宽度１．５ｍ，全桥共分５个梁段．主梁采用Ｃ５０耐久混凝土，封端采用Ｃ５０无收缩混凝土．槽形梁简化断面具　体尺寸见图１所示．　２．２模型的建立　应用ＭＩＤＡＳ　ＦＥＡ对槽形梁结构进行分析，结构承受的荷载的为二期恒载扩散后的力１５．６１ｋＮ／ｍ．槽　形梁混凝土选用Ｃ５０，弹性模量为３４５５４Ｎ／ｍｍ　，重量密度为２．５×１０　Ｎ／ｒａｍ。．边界条件：槽形梁支座的　布置图如图２所示，支座１、５、７的自由度相同为（Ｏ，０，１），支座２、６、８的自由度相同为（１，０，１），支座３的自　由度为（０，１，１），支座４的自由度为（１，１，１）．本文针对此桥对结构进行离散划分网格后，共有８２４９个结点，　收稿日期：２０１　７一Ｏ３—２４　作者简介：孙丽霞（１　９７９一），女，汉族，江苏泰州人，高级工程师。研究方向；公路桥梁的设计、科研与教学工作＋　李永虎（１９８１一），男，汉族，青海大通人，西宁金智电子有限公司总经理．研究方向：计算机软件及开发应用　第２期　孙丽霞，等：槽型梁横向受力分析探讨　７５　　一◆　图】　槽形梁简化断面图（单位：ｍｍ）　５３７６个单元．槽形梁结构有限元计算模型网格划分见图３所示．　・　—．．．表示纵向活动支座　Ｏ　表示嗣定支座　●　１　ｒ＿＿　姗ｊ　０表示横向活动支座　’　图２支座布置示意图　图３槽形梁有限元模型　图４横向应力图　３结果与分析　３．１　全桥横向应力图　运用有限元软件ＭＩＤＡＳ　ＦＥＡ对槽形梁在二期恒载和自重作用下的横向构受力进行计算，得到全桥横　向应力图如图４所示．　由下表１可知，由于槽形梁结构及受力均对称，在结果分析时，纵向选取槽形梁一半结构，槽形梁横向应　力情况，边跨底部拉应力最大为边跨跨中４．４５　ＭＰａ，中跨底部拉应力最大为中跨跨中４．８０　ＭＰａ；边跨顶部　７６　青海师范大学学报（自然科学版）　２０１７生　压应力最大为边跨跨中４．０９　ＭＰａ（不考虑边跨应力集中），中跨顶部压应力最大为中跨跨中４．４１　ＭＰａ．　表１横向应力表（单位：ＭＰａ）　注１）：应力以拉应力为正，压应力为负　３．２横向局部模型横向应力　运用有限元软件ＭＩＤＡＳ　ＦＥＡ对延米单跨槽形梁在二期恒载和自重作用下横向结构受力进行计算，得　到延米单跨槽型梁横向应力如图５所示，其应力分布情况见表２所示．　图５延米单跨槽型梁横向应力　由于延米单跨槽形梁结构及受力均对称，在结果分析时，选取延米单跨槽形梁一半结构，延米单跨槽形　梁应力变化情况：延米单跨槽形梁底部，支座处应力基本为０，而后拉应力逐渐增大，到Ｌ／４处增大为４．２２　ＭＰａ，到跨中达到最大值５．２３　ＭＰａ，应力变化范围Ｏ～５．２３　ＭＰａ；延米单跨槽形梁顶部，支座处应力基本为　０，而后压应力逐渐增大，到Ｌ／４处增大为４．０４ＭＰａ，到跨中达到最大值５．２５　ＭＰａ，应力变化范围０～５．２５　ＭＰａ．　表２横向应力表（单位：ＭＰａ）　注１）：应力以拉应力为正，压应力为负．　３．３计算结果对比　三跨和单跨槽型梁顶部和底部横向应力对比图如图６、图７所示．　由下图的两种模型横向应力的比较，在顶部２的位置相差较大，在１ＭＰａ左右；底部相差很小，在　０．５ＭＰａ左右．　第２期　一Ｊ　兰　孙丽霞，等：槽型梁横向受力分析探讨　便部横向应力对比　７７　底部横向应力对比　０　６　—２　４　２　０　—・一三跨横向应力值　＋　—・－兰踌横向应力值　＋单跨攒向应力值　图６两种模型应力对比图（ａ）　图７两种模型应力对比图（ｂ）　注１）：三跨横向应力值的位置１是边跨跨中的位置，位置２　是中跨跨中的位置；单跨横向应力值的位置１是结构的Ｌ／４处，　位置２是跨中的位置．　４结论　本文借助通用有限元软件ＭＩＤＡＳ建立三维有限元模型，对简化的槽形梁的横向进行了受力分析计算，　一』皇　理　并对横向应力计算结果进行了对比分析，得到如下结论：　１．三跨连续梁边跨跨中顶部横向应力与单跨Ｌ／２处顶部横向应力相差较大；　２．三跨连续梁边跨跨中底部横向应力与单跨Ｌ／４处底部横向应力相差较小．　在实际槽型梁设计中，由于工期的限制，往往对于底板的横向应力计算可近似采用单跨１／４处横向应力　值再适当考虑一个保守系数．而对与顶板的横向应力计算，需要考虑纵向特征断面的几个关键应力点．这可　大大减少槽型梁设计计算过程，增加设计效率．　参考文献：　［１］胡匡璋，江新元，陆光闻．槽形梁［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９８７．　［２］欧阳辉来，王东民，刘兰．槽形梁设计、研究与体会ＥＪ］．桥梁建设，２００６（增刊２）：５６—６ｏ．　［３］季日臣．大型梁式矩形渡槽结构分析中若干关键问题研究ＥＤ］．西安：西安理工大学，２００８　［４］ＭＩＤＡＳ用户使用手册［ｚ］．北京迈达斯技术有限公司，２００２．　［５］范立础．桥梁工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００１．　［６］李方柯．单线铁路４８ｍ简支槽型梁结构设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４，（１）：７—１０．　Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　Ｕ—Ｓｈａｐｅｄ　Ｂｅａｍ　ＳＵＮ　Ｌｉ—ｘｉａ　，ＬＩ　Ｙｏｎｇ—ｈｕ　，ＧＵ　Ｘｉａｏ—ｙａｎ　，ＺＨＡＯ　Ｊｉｎｇ　，ＬＵＡＮ　Ｑｉｕ－ｍｅｉ　（１．ＱｉｎｇＨａｉ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉｎｉｎｇ　８１０００３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｘｉｎｉｎｇ　Ｊｉｎｇｚｈｉ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏ．，ｌｔｄ．，Ｘｉｎｉｎｇ　８　１００００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕ—Ｓｈａｐｅｄ　Ｂｅａｍ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｐａｔｉａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｎａｍｅｌｙ　ｓｐａｔｉａｌ　ｐｌａｔｅ—ｂｅａｍ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒｉｃｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｅｓｓｅｎｔｉａ１．Ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕ－Ｓｈａｐｅｄ　Ｂｅａｍ　ｉｎ　Ｕｒｂａｎ　Ｒａｉｌ　Ｔｒａｎｓｉｔ　ｉｓ　ａｔ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔａｇｅ　ＳＯ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｎ—ｄｅｐｔｈ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｕ－Ｓｈａｐｅｄ　Ｂｅａｍ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａ—　ｐｅｒ，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｕｓｉｎｇ　Ｍｉｄａｓ／ＦＥＡ　ｐｒｏｇｒａｍ　ａｎｄ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｄｒａｗｎ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ｓｐａｎ　ａｎｄ　ｓｉｎｇｌｅ—ｓｐａｎ　Ｕ—Ｓｈａｐｅｄ　Ｂｅａｍ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏ—　ｖｉｄｅｓ　ｓｏｍｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｐｌａｎ　ｏｆ　Ｕ—Ｓｈａｐｅｄ　Ｂｅａｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｕ—Ｓｈａｐｅｄ；ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｔｒｅｓｓ；ｓｐａｔｉａ１　ｐｌａｔｅ—ｂｅａｍ；ｕｒｂａｎ　ｒａｉｌ　（责任编辑：李姝睿）