柱式橋墩蓋梁多種結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的計(jì)算探討

1、柱式橋墩蓋梁多種結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的計(jì)算探討張彥(南京萬通城市建設(shè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江蘇南京 210036 )摘要： 柱式橋墩蓋梁具有外形簡潔、受力明確、施工便利、造價(jià)相對(duì)較低等顯著優(yōu)點(diǎn)，目前在公路橋梁和 城市橋梁中被廣泛采用。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，同樣的柱式橋墩蓋梁按照不同的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算， 結(jié)果是有差異的。通過對(duì)不同計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行比較分析，有利于更好地掌握柱式橋墩蓋梁的受 力特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)提供支撐。關(guān)鍵詞： 橋墩蓋梁；計(jì)算模型；雙柱式；多柱式柱式橋墩是由分離的兩根或多根立柱(或樁柱)所組成。其具有外形簡潔、受力明確、施 工便利、 造價(jià)相對(duì)較低等顯著優(yōu)點(diǎn)， 目前在公路橋梁和城市橋梁中

2、被廣泛采用。 采用裝配預(yù)制 結(jié)構(gòu)(如空心板、 T 梁和小箱梁)時(shí)，一般還需要設(shè)置蓋梁作為支承上部結(jié)構(gòu)，并將全部荷載 傳遞給下部結(jié)構(gòu)，此時(shí)橋墩在橫橋向由蓋梁與柱(樁)組成框架結(jié)構(gòu)。對(duì)于橋墩蓋梁可以簡化 成什么樣的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，規(guī)范作了一定的要求，在規(guī)范修編過程中對(duì)此還作過一定的調(diào)整， 但在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以發(fā)現(xiàn)， 同樣的柱式橋墩蓋梁按照不同的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算， 結(jié)果是有 差異的。 本文通過對(duì)不同計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果， 進(jìn)行比較分析， 有利于更好地掌握柱式橋墩蓋 梁的受力特點(diǎn)，可為設(shè)計(jì)提供幫助。1 規(guī)范對(duì)柱式橋墩蓋梁計(jì)算的要求根據(jù)JTJ 023198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 第341

3、條和第342 條：多柱式墩臺(tái)的蓋梁，可按連續(xù)梁計(jì)算。雙柱式墩臺(tái)，當(dāng)蓋梁的剛度與柱的剛度比大于5時(shí)，蓋梁可按簡支梁計(jì)算；當(dāng)墩臺(tái)承受較大橫向力時(shí)，則蓋梁應(yīng)作為剛構(gòu)的一部分進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)修改后的JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第 8.2.1 條：墩臺(tái)蓋梁與柱應(yīng)按剛構(gòu)計(jì)算。 當(dāng)蓋梁與柱的線剛度 (EI/l) 之比大于 5 時(shí)，雙柱式墩臺(tái)蓋梁 可按簡支梁計(jì)算，多柱式墩臺(tái)蓋梁可按連續(xù)梁計(jì)算。可以看出，規(guī)范修編前后對(duì)雙柱式墩臺(tái)蓋梁的計(jì)算要求基本一致，當(dāng)蓋梁與柱的線剛度 (EI/l) 之比大于 5 時(shí)可按簡支梁計(jì)算，而蓋梁與柱的線剛度 (EI/l) 之比不大于 5 時(shí)須按剛構(gòu)計(jì)

4、 算。但多柱式墩臺(tái)蓋梁的計(jì)算要求發(fā)生了變化，JTJ 02385 規(guī)范中多柱式墩臺(tái)的蓋梁均可按連續(xù)梁計(jì)算，而JTGD62-2004規(guī)范要求多柱式墩臺(tái)的蓋梁應(yīng)按剛構(gòu)計(jì)算，當(dāng)蓋梁與柱的線剛 度(EI/I)之比大于5時(shí)方可按連續(xù)梁計(jì)算。按照規(guī)范要求，對(duì)于柱式墩臺(tái)蓋梁的計(jì)算，當(dāng)蓋梁與柱的線剛度(EI/l) 之比大于 5時(shí)可按簡支梁或連續(xù)梁計(jì)算， 這時(shí)蓋梁的內(nèi)力不受立柱材料和尺寸的影響，且為靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算， 最為簡便。但當(dāng)蓋梁與柱的線剛度 (EI/I) 之比小于 5時(shí)，規(guī)范要求不能忽略立柱對(duì)蓋梁的約束作用， 須將立柱與蓋梁一起模擬形成剛構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)采用剛構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)， 由于缺少橋墩 基礎(chǔ)的相關(guān)資

5、料或?yàn)榍笥?jì)算簡便， 部分設(shè)計(jì)人員常將邊界條件按柱底剛性約束進(jìn)行考慮。 若考 慮到基礎(chǔ)周邊土體對(duì)基礎(chǔ)的作用， 將柱底按照彈性約束， 則蓋梁的計(jì)算結(jié)果會(huì)更精確。 為研究 幾種計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果之間的差異情況以及蓋梁與柱的線剛度之比對(duì)蓋梁受力的影響情況， 本文針對(duì)雙柱式橋墩蓋梁和三柱式橋墩蓋梁，進(jìn)行舉例計(jì)算，并比較分析2雙柱式橋墩蓋梁的計(jì)算和分析某雙柱式鋼筋混凝土橋墩蓋梁，蓋梁為矩形截面，蓋梁寬度為1600mm蓋梁高度為1200mm 立柱為圓形截面D=1000mm,立柱高度取110m，蓋梁和立柱均采用C30混凝土，構(gòu)造如圖 1所示。上部恒載對(duì)蓋梁的作用為均布荷載 200kN/m,活載對(duì)蓋梁的作用為兩列

6、車，每列車蓋 梁所受的支反力為300 kN。柱底按照彈性約束計(jì)算時(shí)，水平向彈性系數(shù)取4X 104 kN/m，豎向彈性系數(shù)取2X 106 kN/m，轉(zhuǎn)動(dòng)彈性系數(shù)取2X 105 kN m/rad。圖1雙柱式橋墩蓋梁構(gòu)造圖（mm）,以下同）的情況下按照不同經(jīng)過計(jì)算，得出在不同立柱高度（蓋梁與柱的線剛度之比,計(jì)算模型所得的蓋梁控制截面的內(nèi)力如表 1所示。表1雙柱式橋墩蓋梁計(jì)算結(jié)果立柱 高H/m蓋梁線剛度/kN 立柱線 剛度/kN m蓋梁與 柱的線剛 度 之比蓋梁跨中最大正彎矩/kN m蓋梁柱頂最大負(fù)彎矩/kN m按 簡 支 梁按剛構(gòu) （柱底剛 性約束）按剛構(gòu)（柱 底彈性約束）按簡支梁按剛構(gòu) （柱底剛

7、性約束）按剛構(gòu)（柱 底彈性約束）11440.01472.60.98823583796-801-976-80121440.0736.31.96622787-952-80131440.0490.92.93662778-931-82541440.0368.23.91691772-910-83851440.0294.54.89712770-894-84861440.0245.45.87727770-882-85071440.0210.46.84739771-873-84081440.0184.17.82749774-866-81491440.0163.68.80756776-860-838101440

8、.0147.39.78762779-855-836通過對(duì)計(jì)算結(jié)果比較分析，總結(jié)如下：1）雙柱式橋墩蓋梁按照簡支梁模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，蓋梁內(nèi)力不受立柱高度的影響，保持不 變。2）雙柱式橋墩蓋梁按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，蓋梁內(nèi)力受立柱高度的影響變化較大，跨中最大正彎矩隨立柱高度變大而變大， 蓋梁柱頂最大負(fù)彎矩隨立柱高度變大而變小。3）雙柱式橋墩蓋梁按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，蓋梁內(nèi)力受立柱高度的影響變化較小，蓋梁跨中最大正彎矩隨立柱高度變大先變小后略有增大，柱頂最大負(fù)彎矩隨立柱高度變大先變大后變小然后又有變大。4）蓋梁跨中最大正彎矩，按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果

9、始終小于按簡 支梁模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，而大于按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。5）蓋梁柱頂最大負(fù)彎矩，按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果始終大于按簡 支梁模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，而小于按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。6）隨著立柱高度變大，三種計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果誤差逐漸變小。7）當(dāng)立柱高度較小時(shí)，按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與按照剛構(gòu)（柱 底剛性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果之間的誤差也較大，有時(shí)還會(huì)大于按照剛構(gòu)（柱底彈性約束） 模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與按簡支梁模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果之間的誤差。3三柱式橋墩蓋梁的計(jì)算結(jié)果與比較某三柱式鋼筋混凝土橋墩蓋梁，蓋梁為矩形截面，蓋

10、梁寬度為1600mm蓋梁高度為1200mm 立柱為圓形截面D=1000mm,立柱高度取110m，蓋梁和立柱均采用C30混凝土，構(gòu)造如圖2所示。上部恒載對(duì)蓋梁的作用為均布荷載 200 kN/m,活載對(duì)蓋梁的作用為三列車，每列車蓋 梁所受的支反力為300 kN。柱底按照彈性約束計(jì)算時(shí)，水平向彈性系數(shù)取4X 104 kN/m，豎向彈性系數(shù)取2X 106 kN/m，轉(zhuǎn)動(dòng)彈性系數(shù)取2X 105 kN m/rad。圖2三柱式橋墩蓋梁構(gòu)造圖（mm）r ,minkAJUU*經(jīng)過計(jì)算，得出在不同立柱高度的情況下按照不同計(jì)算模型所得的蓋梁控制截面的內(nèi)力如 表2所示。表2 三柱式橋墩蓋梁計(jì)算結(jié)果立 柱 高Hm蓋梁線

11、 剛度/ kN m立柱線 剛度/kN m蓋梁 與柱 的線 剛度 之比蓋梁跨中最大正彎矩/kN m蓋梁邊柱頂最大負(fù)彎矩 / kN m蓋梁中柱頂最大負(fù)彎矩/kN m按 連 續(xù) 梁按剛 構(gòu)（柱 底剛 性約束）按剛 構(gòu)（柱 底彈 性約束）按連續(xù)梁按剛 構(gòu)（柱底剛 性約 束）按剛 構(gòu)（柱 底彈 性約 束）按連續(xù)梁按剛構(gòu) （柱底 剛性約束）按剛 構(gòu)（柱 底彈 性約束）11536.01472.61.04520741-785-746-897-70921536.0736.32.09548741-796-753-859-70731536.0490.93.13578745-798-767-837-70441536.

12、0368.24.17603743-801-771-815-71451536.0294.55.22624750-797-780-794-72061536.0245.46.26618640751-731-794-782-992-771-72771536.0210.47.30659759-791-781-749-73381536.0184.18.34680772-788-780-727-73991536.0163.69.39685775-786-778-628-746101536.0147.310.43707787-784-773-612-742通過對(duì)計(jì)算結(jié)果比較分析，總結(jié)如下：1）三柱式橋墩蓋梁按

13、照連續(xù)梁模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，蓋梁內(nèi)力不受立柱高度的影響，保持不 變。2）三柱式橋墩蓋梁按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，蓋梁內(nèi)力受立柱高度的影響變化較大，蓋梁跨中最大正彎矩隨立柱高度變大而變大， 蓋梁邊柱頂最大負(fù)彎矩隨立柱高 度變大先變大后又變小，蓋梁中柱頂最大負(fù)彎矩隨立柱高度變大而變小。3）三柱式橋墩蓋梁按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，蓋梁內(nèi)力受立柱高度的影響變化較小，蓋梁跨中最大正彎矩隨立柱高度變大而變大， 蓋梁邊柱頂最大負(fù)彎矩隨立柱高 度變大先變大后略有變小，蓋梁中柱頂最大負(fù)彎矩隨立柱高度變大而變大。4）蓋梁跨中最大正彎矩，按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果始終大于按照

14、 其他兩種計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，在立柱高度較小時(shí)，按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模型進(jìn)行 計(jì)算的結(jié)果小于按連續(xù)梁模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果， 但在立柱高度較大時(shí)，按照剛構(gòu)（柱底剛性約 束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果大于按連續(xù)梁模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。5）蓋梁邊柱頂最大負(fù)彎矩，按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果始終大于按 連續(xù)梁模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，而小于按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。6）蓋梁中柱頂最大負(fù)彎矩，按照連續(xù)模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果始終大于按照其他兩種計(jì)算模 型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，在立柱高度較小時(shí)，按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模型計(jì)算結(jié)果大于按剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，但在立柱高度較大時(shí)，

15、按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模 型計(jì)算結(jié)果小于按剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。7）隨著立柱高度變大，三種計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果誤差并沒有逐漸變小。8）按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模型進(jìn) 行計(jì)算的結(jié)果之間的誤差并不小于按照剛構(gòu) （柱底彈性約束） 模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與按連續(xù)梁 模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果之間的誤差。4 結(jié)語 不管是雙柱式墩臺(tái)蓋梁，還是多柱式墩臺(tái)蓋梁，按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）的計(jì)算模型進(jìn) 行計(jì)算是最接近于柱式墩臺(tái)蓋梁的實(shí)際受力狀況的， 因此其計(jì)算結(jié)果是最精確的； 而按照剛構(gòu) （柱底剛性約束） 模型進(jìn)行計(jì)算雖然考慮了立柱對(duì)蓋梁的約束作用， 但將柱底約束的

16、彈性系數(shù) 視為無窮大，未準(zhǔn)確考慮基礎(chǔ)周邊土體對(duì)基礎(chǔ)的作用，計(jì)算表明按照剛構(gòu)（柱底剛性約束）模 型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與按照剛構(gòu) （柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果之間也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差， 有時(shí)還會(huì)比按照剛構(gòu)（柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與按連續(xù)梁（或簡支梁）模型進(jìn)行 計(jì)算的結(jié)果之間的誤差大。 所以不考慮基礎(chǔ)具體情況而將柱底設(shè)為剛性約束進(jìn)行計(jì)算是很不合 理的。筆者建議在進(jìn)行柱式墩臺(tái)蓋梁計(jì)算時(shí)， 為獲得比較可靠的計(jì)算結(jié)果， 應(yīng)盡可能按照剛構(gòu) （柱底彈性約束）模型進(jìn)行計(jì)算，立柱高度和柱底約束彈性系數(shù)應(yīng)盡量與工程實(shí)際情況吻合。特別要提醒的是， 根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果， 雙柱式橋墩蓋梁隨著立柱高度變大， 幾種計(jì)算模型 計(jì)算結(jié)果誤差逐漸變小， 當(dāng)蓋梁與柱的線剛度 （EI/l） 之比大