橫向聯(lián)接破壞對T梁橋荷載橫向分布的影響

李 科， 李 濤， 杜偉強

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

橫向聯(lián)接破壞對T梁橋荷載橫向分布的影響

李 科， 李 濤， 杜偉強

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

為了研究橫向聯(lián)接破壞對T梁橋荷載橫向分布的影響，根據(jù)破壞位置和破壞形式的不同,劃分九種工況建立有限元模型，通過計算得出每種工況下各主梁的荷載橫向分布數(shù)值,并與無損傷情況下數(shù)值進行對比分析。結(jié)果表明：橫向聯(lián)接破壞會引起荷載橫向重分布，各主梁的荷載橫向分布數(shù)值均發(fā)生變化，且隨著破壞程度加重變化幅度也愈加明顯；受荷載直接作用的主梁荷載橫向分布數(shù)值在橫向聯(lián)接破壞后大幅度增加變?yōu)樽畲笾?；橫向聯(lián)接破壞后以破壞點為界線，荷載作用一側(cè)的主梁荷載橫向分布數(shù)值增大而另一側(cè)則減小。該研究得到了橫向聯(lián)接破壞下橋梁荷載橫向分布的變化規(guī)律，可為實際工程施工和T梁橋的加固維修提供理論參考。

橫向聯(lián)接； T梁橋； 荷載橫向分布； 有限元

裝配式簡支T梁橋因受力明確、構(gòu)造簡單、預(yù)制安裝方便等諸多優(yōu)點在高速公路、一般公路和城市橋梁中得到廣泛應(yīng)用[1]。此類橋梁主要由承重結(jié)構(gòu)(主梁)及傳力結(jié)構(gòu)(橫隔梁和橋面板)兩部分組成，各主梁間依靠橫隔梁或橋面板等橫向聯(lián)系構(gòu)件聯(lián)接成空間整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)橋上作用荷載時，各片主梁將共同參與工作分擔(dān)荷載，形成了各片主梁之間的荷載橫向分布。這種分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)接剛度有著密切的關(guān)系，橫向聯(lián)接剛度越大荷載橫向分布作用越顯著，各主梁負(fù)擔(dān)的荷載也越趨均勻[2]。這類橋梁在投入使用后普遍出現(xiàn)橫向聯(lián)接薄弱或退化等現(xiàn)象[3-6]，致使結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)接剛度變低，從而改變了橋梁原有的荷載橫向分布規(guī)律。

現(xiàn)階段針對梁橋荷載橫向分布的研究主要側(cè)重于無損傷橋梁的荷載橫向分布計算，對于有損傷橋梁的荷載橫向分布計算研究較少[7]，有關(guān)橫向聯(lián)接破壞對橋梁荷載橫向分布影響的研究更是少見。然而，現(xiàn)役橋梁都不同程度地存在著一定的橫向聯(lián)接破壞，橋梁荷載橫向分布均勻性降低，致使其承載力與設(shè)計初始值有所不同，直接影響橋梁的正常使用和使用壽命。因此，有必要對橋梁橫向聯(lián)接破壞后其荷載的橫向分布變化進行研究。筆者根據(jù)破壞位置和破壞形式的不同劃分九種工況建立有限元模型，借助ANSYS軟件進行分析，得出各種工況下T梁橋荷載橫向分布數(shù)值，并與無損傷情況下的數(shù)值進行對比，進而探討不同工況下T梁橋荷載橫向分布數(shù)值的具體變化規(guī)律。

1 無損傷模型建立與驗證

1.1 有限元模型建立

a 橫向尺寸

b 縱向尺寸

利用ANSYS14.0建立有限模型如圖2所示，模型邊界為各主梁前端面底部節(jié)點施加x、y方向自由度約束，后端面底部節(jié)點施加x、y、z方向自由度約束，模型左右兩側(cè)自由。

圖2 有限元計算模型

1.2 模型準(zhǔn)確性驗證

G-M法(比擬正交異性板法)因理論成熟、概念明確、計算結(jié)果接近實際等諸多特點，在工程當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用，故文獻[8]利用G-M法計算得出了上述橋梁的荷載橫向分布數(shù)值(表1)，具體計算過程可參閱文獻[8]，文中不作詳細(xì)介紹。考慮到利用G-M法計算簡支T梁橋荷載橫向分布數(shù)值，可以比較精確地反映實際結(jié)構(gòu)的荷載橫向分布情況。文中將有限元模型計算出的數(shù)值與文獻[8]的數(shù)值進行對比，通過考察兩組數(shù)值的吻合程度來驗證所建模型的正確性，數(shù)據(jù)對比情況如表1所示。

表1 荷載橫向分布數(shù)值

注：括號內(nèi)為文獻[8]的數(shù)據(jù)。

分析表1中數(shù)據(jù)可知，文中模型計算出的數(shù)值和文獻[8]的十分接近，最大誤差僅為-9.50%。誤差是由于文獻[8]利用G-M法計算荷載橫向分布數(shù)值過程中采用了表格插值和近似計算。上述數(shù)值對比說明文中所建模型精度滿足工程需求，可以作為計算荷載橫向分布數(shù)值的模型。

2 模擬結(jié)果與分析

裝配式簡支T梁橋主梁之間的橫向聯(lián)系主要通過T梁翼緣之間的聯(lián)接和橫隔梁之間的聯(lián)接來實現(xiàn)，而這些聯(lián)接部位在橋梁建設(shè)時一般要在橋梁主體結(jié)構(gòu)完工后再進行施工，因此，這些部位相對薄弱。在橋梁使用過程中，這些部位也相對容易發(fā)生破壞，而且往往不容易在其破壞初期被發(fā)現(xiàn)，但是其破壞經(jīng)常會危及整座橋梁的使用安全，所以文中按照破壞發(fā)生的位置(Ⅰ類，圖1中A處破壞；Ⅱ類，B處破壞；Ⅲ類，AC處破壞)，結(jié)合縱縫(T梁翼緣聯(lián)接處)單獨破壞、橫隔梁聯(lián)接單獨破壞以及二者共同破壞三種破壞形式，分析了橫向聯(lián)接破壞對荷載橫向分布的影響。

在前文無損傷模型基礎(chǔ)上調(diào)整節(jié)點耦合方式模擬橋梁橫向聯(lián)系破壞建立損傷模型，通過有限元軟件計算得出各工況下橋梁荷載橫向分布數(shù)值。為了能直觀地反映數(shù)據(jù)變化，以受荷載直接作用的主梁編號為橫坐標(biāo)，以荷載橫向分布數(shù)值為縱坐標(biāo)，將各工況下橋梁荷載橫向分布數(shù)值與無損傷情況下的數(shù)值進行對比，并繪制對比曲線如圖3～5所示。

2.1 邊梁荷載橫向分布

由圖3可見，T梁橋橫向聯(lián)接受到破壞后，1#梁(左邊梁)荷載橫向分布數(shù)值有明顯變化。圖3a、b、c中工況Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅲ-1的曲線都與無損傷曲線基本保持重合，可知當(dāng)縱縫聯(lián)接單獨破壞時，1#梁的荷載橫向分布數(shù)值基本保持不變；由圖3a、b、c中工況Ⅰ-2、Ⅱ-2、Ⅲ-2的曲線可以看出，與縱縫聯(lián)接單獨破壞相比，橫隔梁聯(lián)接單獨破壞，對1#梁的荷載橫向分布數(shù)值影響較大；當(dāng)單位荷載作用在兩側(cè)邊梁(1#梁和5#梁)時，1#梁荷載橫向分布數(shù)值增大，其中荷載作用在1#梁本身時這一變化尤為明顯；當(dāng)單位荷載作用在其余各梁時，1#梁荷載橫向分布數(shù)值減??；觀察圖3a、b、c中曲線的變化情況發(fā)現(xiàn)，T梁橋橫向聯(lián)接破壞位置一定時，1#梁荷載橫向分布數(shù)值的變化幅度與橋梁橫向聯(lián)系的破壞程度有關(guān)，破壞程度越重變化幅度就越大；如果在橫隔梁聯(lián)接破壞的基礎(chǔ)上縱縫聯(lián)接再發(fā)生破壞，那么1#梁的荷載橫向分布數(shù)值的變化幅度就會達到最值。為了便于觀察分析，將圖3a、b、c中工況Ⅰ-3、Ⅱ-3、Ⅲ-3的曲線與無損傷曲線進行對比，如圖3 d所示。觀察圖3 d可以發(fā)現(xiàn)，相同的破壞形式(破壞程度一致)發(fā)生在圖1中B位置時，對1#梁的荷載橫向分布數(shù)值的影響要大于發(fā)生在A位置時，AC兩處都發(fā)生破壞時1#梁的荷載橫向分布數(shù)值受到的影響最大。

a Ⅰ類工況

b Ⅱ類工況

c Ⅲ類工況

d 多類工況

2.2 次邊梁荷載橫向分布

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，T梁橋橫向聯(lián)接破壞對2#梁(左次邊梁)荷載橫向分布數(shù)值的影響同1#梁一致，當(dāng)T梁橋橫向聯(lián)接破壞位置一定時，2#梁荷載橫向分布數(shù)值的變化幅度隨著橋梁橫向聯(lián)系破壞程度的加重而變大，當(dāng)縱縫聯(lián)接與橫隔梁聯(lián)接共同破壞時達到最值。將圖4a、b、c中各工況的曲線與無損傷曲線進行比較發(fā)現(xiàn)，與1#梁荷載橫向分布數(shù)值變化相反，當(dāng)單位荷載作用在兩側(cè)邊梁時，2#梁荷載橫向分布數(shù)值明顯減??；當(dāng)單位荷載作用在2#梁本身和其余梁時，2#梁荷載橫向分布數(shù)值增大；2#梁更為明顯的變化是在橫隔梁聯(lián)接處沒有產(chǎn)生破壞時，2#梁荷載橫向分布數(shù)值的最大值出現(xiàn)在單位荷載作用于1#梁時，而在橫隔梁聯(lián)接處破壞以后，2#梁荷載橫向分布數(shù)值的最大值卻出現(xiàn)在單位荷載作用于其本身時，并且數(shù)值較前者明顯增大；將圖4a、b、c中工況Ⅰ-3、Ⅱ-3、Ⅲ-3的曲線與無損傷曲線進行對比，如圖4d所示。觀察圖4d可以發(fā)現(xiàn)，同1#梁不同的是，相同的破壞形式發(fā)生在圖1中B位置時，2#梁的荷載橫向分布數(shù)值變化幅度相比發(fā)生在A位置時要小。同1#梁一致的是,當(dāng)AC兩處都發(fā)生破壞時，2#梁的荷載橫向分布數(shù)值變化幅度同樣是最大的。

2.3 中間梁荷載橫向分布

由圖5可見，與前兩道梁一致，破壞位置一定時，3#梁(中間梁)荷載橫向分布數(shù)值的變化幅度隨著橫向聯(lián)接破壞程度的加重而變大，當(dāng)縱縫聯(lián)接與橫隔梁聯(lián)接共同破壞時達到最值。觀察圖5a、b、c中各工況曲線可以發(fā)現(xiàn)，橫向聯(lián)接破壞后當(dāng)單位荷載作用在兩側(cè)邊梁時，3#梁荷載橫向分布數(shù)值減??；當(dāng)單位荷載作用在其他梁時，3#梁荷載橫向分布數(shù)值增加，其中單位荷載作用在3#梁本身時其荷載橫向分布數(shù)值增加幅度最大；觀察圖5d可以看出，當(dāng)橫向聯(lián)接破壞發(fā)生在圖1中A位置時，3#梁荷載橫向分布數(shù)值受到的影響較小，即使橫向聯(lián)接破壞程度加重，該梁的荷載橫向分布數(shù)值也沒有明顯變化；當(dāng)橫向聯(lián)接破壞發(fā)生在圖1中B位置時，3#梁荷載橫向分布數(shù)值受到影響較大，且隨著破壞程度的加重影響也隨之加大。

a Ⅰ類工況

b Ⅱ類工況

c Ⅲ類工況

d 多類工況

a Ⅰ類工況

b Ⅱ類工況

c Ⅲ類工況

d 多類工況

3 結(jié) 論

(1)橫隔梁聯(lián)接完好時縱縫聯(lián)接破壞對T梁橋荷載橫向分布影響較小，即使破壞的縱縫數(shù)量增加其影響也沒有明顯提高。

(2)橫隔梁之間的聯(lián)接對T梁橋荷載橫向分布起到重要作用，如果橫隔梁聯(lián)接處發(fā)生破壞將會引起荷載橫向重分布?？v縫之間的聯(lián)接對T梁橋荷載橫向分布的影響雖不像橫隔梁那樣突出，但也不可忽視。如果橫隔梁聯(lián)接已經(jīng)破壞，那么縱縫之間的聯(lián)接對荷載橫向分布將起到主要作用，此時縱縫之間的聯(lián)接若也發(fā)生破壞，那么將會引起荷載橫向再次重分布。

(3)T梁橋橫向聯(lián)接破壞達到一定程度時，破壞位置和破壞數(shù)量對荷載橫向分布均有影響，且隨著破壞程度加重影響也愈加明顯。具體表現(xiàn)為：橫向聯(lián)接破壞后，受荷載直接作用的主梁其荷載橫向分布數(shù)值顯著增加變?yōu)樽畲笾?；如果破壞位置靠近這道主梁或破壞數(shù)量增加，那么這道主梁的荷載橫向分布數(shù)值會在原有基礎(chǔ)上有所增大。

(4)橫向聯(lián)接破壞后，以破壞點為界線兩側(cè)主梁的荷載橫向分布數(shù)值變化趨勢截然相反，荷載作用一側(cè)的主梁荷載橫向分布數(shù)值隨著破壞程度的增加而增大，另一側(cè)則減小。這表明橫向聯(lián)接破壞時，破壞點處橫向傳遞力的能力有所下降，并且隨著橫向聯(lián)接破壞程度的加重這一能力下降的就愈加明顯。

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(編校 王 冬)

Influence of transverse load distribution of T beam bridge under transverse connection damages

LiKe，LiTao，DuWeiqiang

(School of Civil Engineering & Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

This paper is a research on the effect of transverse connection damage on transverse load distribution of T beam bridge. The study consists of establishing the finite element models by the division of 9 working conditions according to the different positions and forms of damage; producing the transverse load distribution values of main beams under 9 working conditions, using a calculation and analysis method; and comparing the values with those damage-free ones. The results demonstrate that the transverse connection damage triggers the transverse load redistribution, with a resultant change in the transverse load distribution values of each main beams—a change which exhibits an increasing magnitude due to the damage degree; the transverse connection damage is followed by the occurrence of a significantly increased value culminating into a maximum value, in the transverse load distribution of main beams directly acted on by loads shows; the transverse connection damage is accompanied by both an increased values in the transverse load distribution of main beam subjected to load on the one side and a decreased value on the other side, as is shown by the damage point as the borderline. This research highlighting a rule underlying the change in transverse load distribution under transverse connection damages may provide a theoretical reference for T bridge reinforcement and maintenance.

transverse connection; T beam bridge; transverse load distribution; finite element method

2016-10-26

李 科(1975-)，女，黑龍江省肇東人，副教授，碩士，研究方向：體外預(yù)應(yīng)力加固簡支梁，E-mail:1023267433@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.022

U448.2； TU311

2095-7262(2016)06-0695-05

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