CN109933864A - 一种单箱多室混凝土箱形梁桥主梁腹板的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁工程技术领域，公开了一种单箱多室混凝土箱形梁桥主梁腹板的设计方法，步骤1、建立三维有限元模型，除正常的顶板、底板、腹板外，还包括端横隔梁，在模型上施加边界条件及恒载后计算分析该模型；步骤2.1、提取距离支点1.5h处整个主梁截面的剪力V_a；步骤2.2、提取距离支点1.5h处单个边腹板截面的剪力V_s；步骤3、按照下式求取恒载剪力增大系数η；η＝n×V_s/V_a；步骤4、按照下式求取优化后单箱多室混凝土箱形梁桥主梁边腹板的厚度t_f：t_f＝η×t_f0；其他腹板的厚度保持t_f0不变；本发明通过对边腹板厚度进行调整，得到优化后单箱多室混凝土箱形梁桥主梁；有效克服了传统设计采用腹板平均剪力进行设计，导致边腹板常常发生开裂，降低结构耐久性和安全度的问题。

Description

一种单箱多室混凝土箱形梁桥主梁腹板的设计方法

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及一种单箱多室混凝土箱形梁桥主梁腹板的设计方法。

背景技术

大量的单箱多室混凝土箱形梁桥在投入使用后，常出现一些病害，其中较为典型的病害是在主梁的腹板产生斜裂缝。其原因之一是：恒载(包括主梁自重、栏杆(或防撞墙)及铺装等产生的二期恒载)在主梁的各道腹板上的剪力计算方法不合理导致的。

常规主梁腹板剪力的计算方法是：把主梁截面的剪力，让各道腹板平均分担，而实际上，各道腹板并不是平均分担主梁截面的剪力，边腹板承担的剪力往往大于腹板平均剪力，边腹板因为承受过大的剪力，而产生斜裂缝，导致边腹板常常发生开裂，从而产生降低结构耐久性和安全度的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种单箱多室混凝土箱形梁桥主梁腹板的设计方法，技术方案如下：

一种单箱多室混凝土箱形梁桥主梁腹板的设计方法，包括以下步骤:

步骤1、建立原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的三维有限元模型，在建立的三维有限元模型上施加边界条件及恒载后计算分析该三维有限元模型；

所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁有n个腹板，n个腹板具有相同的厚度t_f0,且所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的腹板总厚度n×t_f0通过试算恰好满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)5.2条的规定；

所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的三维有限元模型，除正常的顶板、底板、腹板外，在建立三维有限元模型时还须建立端横隔梁；

步骤2、提取剪力；

步骤2.1、提取距离支点1.5h处整个主梁截面的剪力V_a，其中，h为主梁梁高；

步骤2.2、定义两侧的腹板为边腹板,提取距离支点1.5h处单个边腹板截面的剪力V_s；

步骤3、按照下式求取恒载剪力增大系数η；

η＝n×V_s/V_a

步骤4、按照下式求取优化后单箱多室混凝土箱形梁桥主梁边腹板的厚度t_f：

t_f＝η×t_f0

其他腹板的厚度保持t_f0不变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过建立三维有限元模型，提取距离支点1.5h处整个主梁截面的剪力V_a和单个边腹板截面的剪力V_s，通过η＝n×V_s/V_a求取得到恒载剪力增大系数η，然后依据恒载剪力增大系数η对边腹板厚度进行调整，得到优化后单箱多室混凝土箱形梁桥主梁。

通过对大量有限元计算、分析、归纳和总结得到，腹板的厚度对恒载剪力增大系数η影响小。因而，在得到恒载剪力增大系数η后，采用恒载剪力增大系数η对边腹板厚度进行调整，优化后单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的恒载剪力增大系数η与原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的恒载剪力增大系数η基本保持不变。而边腹板厚度的增大，线性的增大了主梁的抗剪能力，使得优化后单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的边腹板厚度能满足单个边腹板截面的剪力V_s的设计要求。进而有效克服了传统设计采用腹板平均剪力(该剪力小于边腹板实际承担的单个边腹板截面的剪力V_s)进行设计，导致边腹板常常发生开裂，降低结构耐久性和安全度的问题。

附图说明

图1为本发明单箱多室混凝土箱形梁桥的主视结构示意图；

图2为图1中A处的剖视示意图；

图3为本发明单箱多室混凝土箱形梁桥的俯视结构示意图；

图4为步骤2.1中，提取距离支点1.5h处整个主梁截面的剪力V_a，所选取整个主梁截面的示意图；

图5为步骤2.2中，提取距离支点1.5h处单个边腹板截面的剪力V_s，所选取单个边腹板截面的示意图。

图中：1-单箱多室混凝土箱形梁桥；2-主梁；3-腹板；4-边腹板；5-端横隔梁。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图5所示，本发明提供了一种单箱多室混凝土箱形梁桥主梁腹板的设计方法，包括以下步骤:

步骤1、建立原始单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2的三维有限元模型，在建立的三维有限元模型上施加边界条件及恒载后计算分析该三维有限元模型；

所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2有6个腹板3，6个腹板3具有相同的厚度40cm,主梁梁高为1.6m，且所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2的腹板3总厚度240cm通过试算恰好满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)5.2条的规定；

所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2的三维有限元模型，除正常的顶板、底板、腹板3外，在建立三维有限元模型时还须建立端横隔梁5；

步骤2、提取剪力；

步骤2.1、提取距离支点2.2m处整个主梁2截面的剪力V_a＝9000kN；

步骤2.2、定义两侧的腹板3为边腹板4,提取距离支点2.2m处单个边腹板4截面的剪力V_s＝1800kN；

步骤3、按照下式求取恒载剪力增大系数η；

η＝n×V_s/V_a＝6×1800/9000＝1.2

步骤4、按照下式求取优化后单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2边腹板4的厚度t_f：

t_f＝η×t_f0＝1.2×40＝48cm

其他腹板3的厚度保持40cm不变。

本发明的主要构思和原理如下：

常规设计中，按照各道腹板3平均分担主梁2截面剪力进行设计。本发明通过对大量有限元计算、分析、归纳和总结得到，单个边腹板4截面的剪力V_s比腹板3平均剪力(V_a/n)大，因而边腹板4常常发生开裂，降低了主梁2的耐久性和安全度。本发明通过建立三维有限元模型，提取距离支点1.5h处整个主梁2截面的剪力V_a和单个边腹板4截面的剪力V_s，通过η＝n×V_s/V_a求取得到恒载剪力增大系数η，然后依据恒载剪力增大系数η对边腹板4厚度进行调整，得到优化后单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2。

1、通过对大量有限元计算、分析、归纳和总结得到，腹板3的厚度对恒载剪力增大系数η影响小。因而，在得到恒载剪力增大系数η后，采用恒载剪力增大系数η对边腹板4厚度进行调整，优化后单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2的恒载剪力增大系数η与原始单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2的恒载剪力增大系数η基本保持不变。而边腹板4厚度的增大，线性的增大了主梁2的抗剪能力，使得优化后单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2的边腹板4厚度能满足单个边腹板4截面的剪力V_s的设计要求。进而有效克服了传统设计采用腹板3平均剪力(该剪力小于边腹板4实际承担的单个边腹板4截面的剪力V_s)进行设计，导致边腹板4常常发生开裂，降低结构耐久性和安全度的问题。

2、大量有限元计算进行归纳和总结得到，箱室数量、边界条件及端横隔梁5的设置对恒载剪力增大系数η影响十分显著。据此，对一个单箱多室混凝土箱形梁桥1主梁2(即具有确定的箱室数量和边界条件)，本发明提出“除正常的顶板、底板、腹板3外，在建立三维有限元模型时还须建立端横隔梁5”。本发明所提出的通过三维有限元模型分析，并提取关键位置(距离支点1.5h处)的剪力的方法，及提取单个边腹板4截面的剪力的方法。有效克服了传统杆系有限元模型不能单独得到单个边腹板4截面的剪力的技术缺陷。

3、大量有限元计算进行归纳和总结得到，提取距离支点1.5h处的剪力，是因为如下两个原因：

a、该处具有最大的恒载剪力增大系数η；

b、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)5.2条规定计算该截面；且一般情况下，该截面的设计剪力值最大。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种单箱多室混凝土箱形梁桥主梁腹板的设计方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、建立原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的三维有限元模型，在建立的三维有限元模型上施加边界条件及恒载后计算分析该三维有限元模型；

所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁有n个腹板，n个腹板具有相同的厚度t_f0,且所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的腹板总厚度n×t_f0满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)5.2条的规定；

所述原始单箱多室混凝土箱形梁桥主梁的三维有限元模型，除正常的顶板、底板、腹板外，在建立三维有限元模型还须建立端横隔梁；

步骤2、提取剪力；

步骤2.1、提取距离支点1.5h处整个主梁截面的剪力V_a，其中，h为主梁梁高；

步骤2.2、定义两侧的腹板为边腹板,提取距离支点1.5h处单个边腹板截面的剪力V_s；

步骤3、按照下式求取恒载剪力增大系数η；

η＝n×V_s/V_a

步骤4、按照下式求取优化后单箱多室混凝土箱形梁桥主梁边腹板的厚度t_f：

t_f＝η×t_f0

其他腹板的厚度保持t_f0不变。