裝配式波形鋼腹板T梁橫向分布系數(shù)分析*

李斐然　康　健　劉東旭

(河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司　鄭州　450052)

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裝配式波形鋼腹板T梁橫向分布系數(shù)分析*

李斐然康健劉東旭

(河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司鄭州450052)

基于實體單元和板單元相結(jié)合的精細有限元法，分析裝配式波形鋼腹板T梁的荷載橫向分布情況，并與傳統(tǒng)橫向分布系數(shù)計算方法進行對比，研究不同形式的橫隔板對波形鋼腹板T梁橫向分布系數(shù)的影響.結(jié)果表明，采用剛接板法計算四片波形鋼腹板T梁結(jié)構(gòu)是較為合適的方法，其中中梁橫向分布系數(shù)與精細有限元法接近，邊梁橫向分布系數(shù)較精細有限元法大1.15倍，橫隔板剛度的強弱變化對橫向分布系數(shù)影響不大.

波形鋼腹板；T梁；有限元；橫向分布

0　引　　言

波形鋼腹板橋梁具有自重輕、抗裂性能好、造型美觀等優(yōu)點，但相比于混凝土箱梁，腹板厚度由混凝土腹板的30～50 cm減薄至波形鋼板的10～30 mm，導致抗扭剛度變小，因此波形鋼腹板橋梁大都采用整體抗扭性能較好的箱梁截面形式[1].裝配式波形鋼腹板T梁[2-4]保持了傳統(tǒng)裝配式混凝土T梁易于架設的優(yōu)點，同時預應力有效性大幅度提高，腹板抗裂性顯著加強，整體抗扭性能可通過增加橫隔板數(shù)量進行提高，具備代替混凝土T梁的可能，比如，2005年世界上第一座波形鋼腹板 T 梁橋曾宇川橋在日本建成.裝配式波形鋼腹板T梁的預制和安裝工藝為[5-7]：在工廠預制波形鋼腹板預應力混凝土T梁，運輸安裝于橋梁墩臺上，將橫橋向相鄰T梁構(gòu)件的上翼板、橫向鋼筋、跨間橫隔板及橫梁通過現(xiàn)澆混凝土濕接縫連接形成整體.圖1為裝配式波形鋼腹板T梁橋的一般斷面形式.

圖1　裝配式波形鋼腹板T梁斷面圖

橫向分布系數(shù)[8-9]的計算方法較多，包括鉸接板法、剛接板法、剛性橫梁法、比擬正交異形板法等，由于裝配式波形鋼腹板T梁的整體抗扭剛度較小，直接采用混凝土T梁的橫向分布系數(shù)計算方法是不恰當?shù)?，本文采用實體單元和板單元相結(jié)合的有限元法進行橫向分布系數(shù)的分析，與傳統(tǒng)的橫向分布系數(shù)計算方法進行對比，以選定適合于裝配式波形鋼腹板T梁的橫向分布系數(shù)計算方法.

1　有限元分析

1.1計算假定

基于大型通用有限元軟件ANSYS[10]建立裝配式波形鋼腹板T梁有限元模型，在分析過程中，采用下列2條假定以便于進行橫向分布系數(shù)的分析：(1) 波形鋼板與混凝土之間連接可靠，不發(fā)生剪切滑移；(2) 忽略新舊混凝土收縮徐變的影響.

1.2有限元模型的建立

按照實際情況建立全橋板單元和實體單元相結(jié)合的有限元模型，邊界條件通過約束相應位置的節(jié)點進行，車輛荷載根據(jù)加載位置和規(guī)范值施加.圖2為四跨一聯(lián)的波形鋼腹板T梁橋計算模型圖.圖3為節(jié)段計算模型圖，從圖中可以看到模型均采用了六面體網(wǎng)格，為了提高單元的計算精度，參數(shù)輸入部分定義了相關(guān)參數(shù)，可根據(jù)需要進行網(wǎng)格細分.圖4跨間橫梁計算模型圖，圖中可以看到對于跨間橫梁盡可能的也采用了六面體網(wǎng)格，模型中考慮了人孔的相關(guān)構(gòu)造，為了確保頂板、底板和波形鋼網(wǎng)格的形狀，中橫梁的網(wǎng)格形狀相對不規(guī)則，考慮到跨間橫梁在在橫向分布系數(shù)分析中主要為了傳力可靠，可認為滿足工程精度要求.

圖2　波形鋼腹板T梁橋計算模型

圖3　節(jié)段計算模型

圖4　橫梁計算模型

結(jié)構(gòu)分析全部采用ANSYS11.0進行，其中采用只受拉單元LINK10模擬預應力鋼絞線，板殼單元SHELL63模擬波形鋼板，實體單元SOLID45模擬混凝土頂?shù)装?波形鋼板與混凝土相接觸的位置采用相同的網(wǎng)格劃分，保證板單元與混凝土單元共用節(jié)點，預應力筋的模擬通過首先建立力筋線的幾何模型，將幾何模型按一定的間距劃分單元，然后選擇力筋線上所有的節(jié)點，將力筋節(jié)點與最接近的混凝土節(jié)點進行耦合.

鋼梁采用Q345型鋼材，容重78.5 kN/m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，線脹系數(shù)1.2×10-5；預應力鋼絞線張拉控制應力為1 023 MPa，容重78.5 kN/m3，彈性模量為195 GPa，線脹系數(shù)1.2×10-5；鋼筋混凝土箱梁采用C50混凝土，容重26 kN/m3，彈性模量為34.5 GPa，線脹系數(shù)1.0×10-5.

1.3荷載的模擬

1) 自重模擬：由于計算模型按照實際情況建立，不需做簡化處理，直接按照容重施加自重荷載.

2) 二期恒載模擬：鋪裝自重荷載采用面荷載施加在箱梁頂面，防撞護欄等荷載采用線荷載施加在端部.

3) 預應力模擬：通過降溫法來施加預應力荷載.

4) 荷載模擬：在梁頂位置的橫向各節(jié)點位置施加單位集中力，用于計算橫向分布的影響線.

1.4橫向聯(lián)系與計算方法

為比較不同剛度的橫向聯(lián)系對裝配式波形鋼腹板T梁的影響，橫隔板間距按照10 m一道布置，跨徑與橋?qū)捜≡陔p向4車道高速公路中應用最普遍的30 m跨先簡支后連續(xù)梁，橋?qū)?2.75 m，橫向由4片波形鋼腹板T梁組成.為了分析橫隔板剛度的差異對橫向分布系數(shù)的影響，采用兩種跨間橫隔板模式進行分析.

模式一(弱橫向聯(lián)系)取消橫隔板下緣位置的混凝土連接，在此種連接方式下橫向傳力主要依靠濕接縫位置的混凝土，見圖5a).

模式二(強橫向聯(lián)系)包含橫隔板下緣位置的混凝土連接，在此種連接方式下橫向傳力由濕接縫和跨間橫梁共同承擔，見圖5b).

圖5　橫向聯(lián)系位置單元圖

為了比較傳統(tǒng)橫向分布系數(shù)計算方法[11]與精細有限元法的差異性，分別采用以下5種方法進行橫向分布系數(shù)的對比分析.方法1，實體單元法：根據(jù)實體模型，按照橫向加載進行分析；方法2，剛性橫梁法：不考慮抗扭剛度修正；方法3，修正的剛性橫梁法：考慮抗扭剛度修正；方法4，剛接板法：不考慮跨間橫隔板的橫向剛度；方法5，修正的剛接板法：考慮強橫向聯(lián)系模式橫隔板的抗扭剛度進行修正.

2　橫向分布系數(shù)分析

2.1模式一(弱橫向聯(lián)系)下橫向分布系數(shù)分析

按方法1～4分別進行橫向分布影響線的計算，將邊梁和中梁腹板位置的影響線按照橫向x坐標進行布置，計算結(jié)果見圖6.由圖6可知，方法1實體單元法得到的橫向分布影響線在加載點位置有明顯的突變，與方法4剛接板法計算結(jié)果的趨勢相似，與方法2剛性橫梁法和方法3修正的剛性橫梁法顯著不同，表明裝配式波形鋼腹板T梁的整體橫向剛度相對較小.

圖6　不同方法下波形鋼腹板T梁的荷載橫向分布影響線

為了進一步對邊梁和中梁的影響線進行對比，將不同方法得到的影響線放在同一張圖上進行對比，對比結(jié)果見圖7.由圖7可知，方法1實體單元法與方法4剛接板法在邊梁和中梁上得到的影響線基本接近.

圖7　不同方法下波形鋼腹板T梁影響線對比圖

按照橫向3車道和2車道進行車輛布置，得到的橫向分布系數(shù)計算結(jié)果(見表1)，對邊梁各傳統(tǒng)方法得到的橫向分布系數(shù)普遍較精細有限元法大，偏大1.06～1.15倍；對中梁方法2和方法3計算結(jié)果偏小不能應用于設計，而方法4與方法1計算結(jié)果基本一致，因此對于波形鋼腹板T梁在弱橫向聯(lián)系下采用方法4剛接板法進行分析是可行的.

表1　模式一下橫向分布系數(shù)計算結(jié)果

2.2模式二(強橫向聯(lián)系)下橫向分布系數(shù)分析

模式二強橫向聯(lián)系下跨間橫梁的抗扭剛度會對剛接板法的計算結(jié)果產(chǎn)生一定影響，為此在模式二下增加方法5同時進行橫向分布系數(shù)的分析按.方法1～5進行模式二強橫向聯(lián)系模式下橫向分布影響線的計算，將邊梁和中梁腹板位置的影響線按照橫向x坐標進行布置，影響線的計算結(jié)果趨勢與模式一相同，各方法下的影響線計算結(jié)果圖不再給出，僅將不同方法得到的影響線放在同一張圖上進行對比，對比結(jié)果見圖8.由圖8可知，對于邊梁方法1實體單元法與方法4剛接板法較為相似，對于中梁方法4得到的峰值較方法1大，方法5得到的峰值較方法1小.

圖8　不同方法下波形鋼腹板T梁影響線對比圖

按照橫向3車道和2車道進行車輛布置，得到的橫向分布系數(shù)計算結(jié)果見表2，對邊梁各傳統(tǒng)方法得到的橫向分布系數(shù)普遍較精細有限元法大，偏大1.05～1.17倍；對中梁方法2、3、5計算結(jié)果偏小不能應用于設計，方法4與方法1計算結(jié)果基本一致，因此對于波形鋼腹板T梁在強橫向聯(lián)系下采用方法4剛接板法進行橫向分布系數(shù)計算是滿足工程精度需要的.

表2　模式二下橫向分布系數(shù)計算結(jié)果

2.3不同橫向聯(lián)系剛度的橫向分布系數(shù)對比

將表1和表2進行對比可以看到，模式一弱橫向聯(lián)系下邊梁的橫向分布系數(shù)為0.883，相比模式二的0.868，兩者相差不足2%，可認為強橫向聯(lián)系對邊梁的橫向分布系數(shù)減小作用不明顯.模式一弱橫向聯(lián)系下中梁的橫向分布系數(shù)為0.658，相比模式二的0.652，兩者相差不足1%，可認為強橫向聯(lián)系對中梁的橫向分布系數(shù)影響更小.無論是弱橫向聯(lián)系還是強橫向聯(lián)系，采用剛接板法進行橫向分布系數(shù)的計算均可符合結(jié)構(gòu)設計上的需要，對于中梁計算結(jié)果較為準確，對于邊梁具有一定的安全儲備.

3　結(jié)　　論

1) 采用剛接板法計算四片波形鋼腹板T梁結(jié)構(gòu)是較為合適的方法，剛性橫梁法與修正的剛性橫梁法不適合于波形鋼腹板T梁.

2) 剛接板得到的橫向分布系數(shù)計算結(jié)果中邊梁橫向分布系數(shù)較精細有限元法偏大約1.15倍，中梁橫向分布系數(shù)與傳統(tǒng)剛接板法的理論值接近，符合結(jié)構(gòu)設計的需要.

3) 強橫向聯(lián)系剛度的對波形鋼腹板T梁的橫向分布系數(shù)改善效果不明顯，在進行結(jié)構(gòu)設計時應不考慮橫隔板抗扭剛度的修正.

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Analysis of the Lateral Load Distribution Factors of Prefabricated T Girder with Corrugated Steel Webs

LI FeiranKANG JianLIU Dongxu

(HenanProvincialCommunicationsPlanning&DesignInstituteCO.,LTD.,Zhengzhou450052,China)

Based on the precise FEM that contains solid element and shell element, the lateral load distribution of prefabricated T girder with corrugated steel webs is analyzed, which is compared with the traditional methods of lateral load distribution factors. The effects of different types of diaphragm on the lateral load distribution factors are studied. The results show that the rigid-joint-plate method is a suitable method to analyze the four pieces of prefabricated T girders with corrugated steel webs and the calculated lateral load distribution factor of the middle beam is similar to that calculated from the precise FEM. However, the lateral load distribution factor of the edge beam calculated from the rigid-joint-plate method is 1.15 times larger than that calculated from the precise FEM. The change of the diaphragm stiffness has little effect on the lateral load distribution factor.

corrugated steel webs; T girder; FEM; lateral load distribution

2016-06-07

U448.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.023

李斐然(1983- )：男，博士，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為橋梁新結(jié)構(gòu)設計

*河南省交通科技重點項目資助(2012D19)