小箱梁桥设计计算与建模

优点： 小箱梁常用跨径为20～35m， 作为装配式结构，易实现机械化、工厂化施工。因仅设端横隔梁，桥下视觉简洁，加之梁高较矮，在梁高受限、景观要求较高之处，具有一定的优势。结构适应变宽能力强，应用领域广。采用宽梁设计，在相同跨径结构中，具有一定的经济优势。结构暴露面少，负弯矩束锚头位于箱内，结构耐久性好。主梁刚度较大，在车辆荷载作用下主梁变形小、行车较舒适。施工稳定性好，易于维护。

缺点： 施工工艺要求高，当管理与施工控制不到位时，易出现沿钢束的纵向裂缝或蜂窝麻面。箱内空间较小，砼一次浇注内模拆除相对麻烦，箱内质量不便于检验。同等跨径，相对空心板、T 梁而言，吊装重量大。

小箱梁设计分为简支与先简支后结构连续两种体系。先简支后连续小箱梁除了具有小箱梁桥的通用优点外，还具有结构受力性能好、伸缩缝少、行车舒适、抗震能力强等优点。

为保证小箱梁桥受力合理，兼顾经济性，综合考虑梁间距、边梁挑臂长度、横 向分布系数等因素后，本着布束经济、合理的原则，小箱梁预应力配束归纳为A类中梁、B类中梁、A类边梁、B类边梁4种情况 （A、B类梁的选择，实际选用时可按梁间距3.2m作为分界点，当梁间距≤3.2m时归为A类，当梁间距＞3.2m时，归为B类）。

设计环境类别：I类；

设计荷载：公路I－级；

桥宽：见下文表1、表2；

跨径：20m、25m、30m、35m（每5m 一个标准跨径）；

斜交角度：0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°（每5°一个标准角度）；

但是随着小箱梁斜交角度的增大，小箱梁扭矩也随之增大，对斜交角＞30°的情况，须单独进行计算后，谨慎使用。

   

   

小箱梁桥设计过程

尺寸拟定与构造处理：

1. 小箱梁梁间距根据桥面宽度一般选择为2.80～3.41m， 通过调整梁片数、梁间湿接缝宽度及边梁外挑臂长度来适应不同桥面宽度。对相同设计时速、相同车道数的整体式与分离式断面一般采用相同边梁外侧挑臂长度，通过调整湿接缝宽来适应桥梁宽度的变化。 边梁中心至外侧挑臂长度一般控制在1.4～1.8m。

2.小箱梁的预制宽度，主要与梁间距、湿接缝宽度有关。为保证小箱梁湿接缝钢筋连接的受力合理性，本次小箱梁设计参考图综合各种桥宽后，取预制中梁宽为2.4m和2.6m两种。实际工程选用时可根据梁间距调整预制宽度，以使湿接缝宽度合理。湿接缝的宽度须满足该处钢筋搭接或焊接长度的要求， 一般不宜小于50cm，院小箱梁设计参考图中翼板湿接缝宽为45～81cm。

3.小箱梁的横向连接采用横隔板、翼板湿接缝、现浇整体化层等手段，以保证各梁形成整体，共同受力。

4.小箱梁一般仅设端横隔板。对斜交小箱梁，从结构受力、构造要求、施工难易、美观等因素综合考虑，横隔板一般采用平行梁端倾斜布置。

5. 小箱梁顶板厚度为18cm，考虑横向受力及自重荷载等因素，取桥面整体化层厚度为8cm。考虑现浇桥面整体化层参与护栏、桥面铺装及活载的受力分配，在主梁横向分布系数计算、主梁纵向计算时，均已计入6cm整体化层的参与作用 。 (在小箱梁设计参考图计算分析时，可含概整体化层厚度为10cm工况)由交通部最新颁布的“小箱梁通用图”，采用了6cm 的现浇砼调平层，不考虑现浇桥面层参与受力。）

6.墩顶负弯矩区宜采用预应力混凝土墩顶连续。小箱梁参考图设计时，各种跨径的墩顶现浇连续段均采用预应力混凝土连续。20～35m跨小箱梁底板宽度均为100cm。

7.简支结构横向一般采用双支座；先简支后连续结构横向在伸缩缝端一般采用双支座，在墩顶连续处一般采用单支座。对墩顶连续处纵向支承，一般采用单支点，也可采用双支点，各有优缺点，建议根据实际情况选用。支座一般采用板式橡胶支座，也可采用盆式橡胶支座。各跨径支反力及建议的板式橡胶支座型号如下表：

8. 小箱梁高跨比一般在1/16～1/20 左右，小箱梁腹板、底板厚度一般不应小于18cm，桥面板厚度最小值一般不宜小于18cm。 根据小箱梁腹板、顶底板厚度，小箱梁钢束布置最大按15-5控制，以保证波纹管与钢筋布置空间，保证小箱梁梁体砼浇注质量和外观质量。

小箱梁设计参考图上部结构参数表

   

   

小箱梁桥设计计算要点

1.基础资料：

[1]计算手段：采用Midas、桥梁博士、GQJS、院内自行开发的小程序等程序计算，以及手工计算。

[2]环境类别：设计图中为I类，可根据地区类别按桥梁通用规范选取并修改相

关图纸。

[3]设计荷载：公路I—级。

[4]预应力度控制：采用预应力A 类构件。

[5]桥面现浇整体化层是否参与受力：院小箱梁设计参考图中考虑6cm参与受力。

[6]材料参数：混凝土、钢筋以及预应力钢束的相关参数按规范选取。

[7]收缩徐变参数：按《桥梁通用设计规范》选取。

[8]温度梯度：按《桥梁通用设计规范》10cm沥青砼铺装层温度梯度计算。

[9]连续小箱梁桥不均匀沉降：5mm。

2.需要计算的部位： 主梁、横隔板、桥面板；

3.主要荷载： 结构重力、预应力、活载、混凝土收缩徐变、日照温差；连 续小箱梁还需考虑常年温差以及基础不均匀沉降。

4.计算内容： 主梁强度设计、验算；横隔板强度设计、验算；桥面板强度 设计、验算；主梁变形计算、预拱度计算。

5.计算方法：

[1]采用平面杆系有限元法按横向分布系数对正交小箱梁进行结构分析，按《桥规》各项要求进行验算。

[2]宜采用空间杆系有限元法（空间梁格法）对正交小箱梁进行结构分析，按《桥规》各项要求进行验算，并与平面杆系有限元法计算结果进行对比分析。

[3]对相同计算条件下的正交、斜交小箱梁桥宜采用空间有限元法（空间梁格法）的计算结果进行对比分析。

[4]对主梁翼板、横隔板、结构连续处支点下缘等局部构造的强度与抗裂验算宜采用手工、配合小程序进行。

[5]对斜交角度较大的结构，可采用空间实体单元模型做抗扭和局部分析。

计算分析表明：对荷载采用横向分布系数计算的平面杆系有限元计算方法比空 间梁格法（Madis）的计算结果偏安全。

6.主梁内力计算、验算： 主梁计算作为结构的整体计算，采用车道荷载。

1）平面杆系计算分析：

a）横向分布系数的计算方法

[1] 杠杆法

用于计算荷载位于主梁支点处的横向分布系数。

[2] 刚接梁法

用于计算荷载位于梁桥跨中至L/4处的横向分布系数。

支点至L/4点之间活载横向分布系数按直线内差求得。

b）先简支后连续的连续小箱梁跨中横向分布系数

连续小箱梁跨中横向分布的简化适用计算方法，是按等刚度原则将连续梁的某 一跨换算为等跨径的等截面简支梁来计算。对于连续梁支点处荷载横向分布，仍采用杠杆法计算。 小箱梁主梁内力可按考虑荷载横向分布系数后的单梁进行计算，当斜度≥30°时，应利用空间程序进行复核。

2）空间梁格计算：

采用大型有限元程序如Midas Civil 2006，利用梁格理论建模对主梁及横隔梁 进行计算。

3）计算、验算的内容、项目：

[1]短暂状况（施工阶段）截面边缘法线应力验算（桥规第7.2.8 条）；

[2]持久状况（使用阶段）正常使用极限状态抗裂验算（桥规第6.3.1 条）；

[3]持久状况（使用阶段）应力计算（桥规第7.1.5～6 条）；

[4]持久状况（使用阶段）结构极限承载能力验算（桥规第5 章）；

[5]结构阶段位移计算及预拱度设置；

[6]支反力计算。

7.横隔板内力计算、验算：

横隔板作为结构的局部计算，采用车辆荷载。

对于 采用平面杆系有限元法分析的正交小箱梁桥，可按偏心压力法或刚接梁法计算横隔板的截面内力 。 斜度较大的斜交小箱梁桥，其横隔板内力建议采用空间有限元法进行计算。

8.桥面板内力计算、验算： 桥面板作为结构的局部计算，采用车辆荷载。对小箱梁桥面根据其位置不同，分别按悬臂板和多跨连续单向板进行内力计算。

小箱梁反拱值与箱梁截面、钢束布置、张拉龄期、砼配合比、存梁期等多项因素有关，下面以张拉龄期为5天，列出20～35m小箱梁在预制张拉阶段至存梁4个月期间内的反拱值。

位于曲线段上的桥梁，一般通过调整各片梁预制长度、封锚砼尺寸及边梁外侧翼板的弦弧差形成； 位于变宽段上的桥梁，一般通过调整湿接缝宽度、各梁预制长度及封锚端尺寸共同形成。 梁长变化一般采用调整跨中直线段的方式，钢束及钢筋均按跨中段布置原则调整。当梁长差别较小时，也可采用标准预制梁长，调整各片梁的封锚混凝土厚度来实现。

限制条件： 梁长变化范围±△L≤L/50(m)，当采用调整封锚端厚度时，封锚端 厚度调整范围为12～22cm，翼板湿接缝宽度介于40～85cm 之间，边梁外悬臂的弦弧差值不大于0.2m。

为便于桥梁经济指标控制，按四跨一联，桥梁与路基同宽的梁间距最大、最小尺寸进行经济指标包络，对常规宽度的小箱梁经济指标可基本含概。

所有的计算、验算都通过后，保证设计产品在满足功能要求的前提下安全、适用、经济，便可开始绘制设计图纸。设计文件的深度应满足现行《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》的要求。现以先简支后连续正交小箱梁桥为例,按两阶段设计的高速公路说明初步设计、施工图设计阶段需要完成的设计工作内容。

   

   

桥梁博士建模小箱梁的步骤及注意事项

1.首先根据一般构造划分单元，划分的原则是截面突变的地方以及重点验算的地方都要进行划分，单元的主体为白线，定义为0层，用来划分单元的线的颜色为绿线，定义为dim层，建立好模型后，把单元主体的起点移到0，0点（这一点是为了以后导入钢束简单而做的铺垫，很关键的）。 这一步需要注意的是cad图形必须是按1：1比例绘制的，即单位是mm。

2.根据截面变化绘制截面，截面的尺寸也必须是1：1， 即单位是mm ，然后点击“从cad中导入截面”，弹出如图对话框：

根据单元编号和对应的截面填写表格，可以利用 EXCEl 进行填写，填写后的表格如图：

然后复制到桥梁博士里。

这一步需要注意的是绘制的截面图层名称必须与导入桥博里的图层名称一致，建议第一个截面图层为 1 ，然后依次为 2、 3、 4.... 等。导入桥博后第一个单元的左上角为 0 ， 0 点。

3. 导入钢束， cad 中的钢束的图层要与导入桥博的钢束图层一致，本桥 30 米小箱梁计算取中跨中梁，不计墩顶负弯矩钢束的影响，即不导入负弯矩钢束。至此桥博模型建立完毕。

建模应注意的事项：

1.自重系数统一为：1.04，预应力混凝土自重一般为26KN/m3，桥博默认的为25KN/m3，26/25=1.04；

2.第一阶段把横隔梁的重量考虑为永久荷载。要加载在预制阶段，横隔梁的一部分是和箱梁一起浇注成型的；

3. 一般我们按照预制梁长建立模型，约束会在第二个节点和倒数第二个节点的位置；

4. 如果单独给了一个湿接缝的阶段，那么这个湿接缝的恒载就要计到这个阶段中；

5.计入负荷载效应中：温度1，温度2，支座摩阻力。不需要勾选：温度的1和温度2是指非线性温度，既然已经定义了，就不需要重复了。支座摩阻力只对下部构造有影响；

6. 桥面比较宽，按照折线布置横向分布系数；

7.  用桩顶反力算地基承载力用标准值，算桩身强度用基本组合，算裂缝用长短期组合。