裝配式寬橋橫隔板優(yōu)化

肖凱龍, 秦發(fā)祥, 黃敘欽

(長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

自20世紀(jì)80年代起,中國公路、鐵路橋梁建設(shè)發(fā)展十分迅速,為了適應(yīng)日益增加的人流量和車流量,橋梁被設(shè)計(jì)的越來越寬,裝配式預(yù)應(yīng)力梁橋以其施工速度快、預(yù)制化程度高受到了重視.一般認(rèn)為當(dāng)橋梁的寬跨比大于0.5時(shí),可以被視為寬幅橋,而橫隔板作為寬橋中保證各梁連接為整體工作的重要構(gòu)件,對于裝配式橋梁的整體性起著至關(guān)重要的作用.

國內(nèi)外對于裝配式梁橋中的橫隔板已經(jīng)做了較為系統(tǒng)的研究.牛艷偉[1]基于5片T梁的有限元模型,研究了橫隔板對于載荷橫向分布規(guī)律以及結(jié)構(gòu)受力的影響.呂玉匣[2]對不同T梁橫隔板對載荷橫向分布系數(shù)進(jìn)行了研究,討論了橫隔板數(shù)量的合理值.劉潤陽[3]對于T梁橫隔板3種不同連接狀態(tài)對結(jié)構(gòu)受力的影響進(jìn)行了研究, 分析了橫隔板出現(xiàn)病害后對結(jié)構(gòu)的影響. 魏光明[4]研究了裝配式空心板橋中橫隔板對于其受力的影響. 文獻(xiàn)[4-10]研究表明, 橫隔板的設(shè)置可以大幅改善橋梁受力情況, 使橋梁載荷橫向分布更為均勻.

綜上,對于裝配式寬橋中的橫隔板位置優(yōu)化研究相對缺乏.因此本文建立跨徑為20m和40m連續(xù)寬T梁橋不同寬跨比有限元計(jì)算模型,通過改變橫隔板布置位置和數(shù)量,比較不同橫隔板位置對中梁最大撓度的影響,明確了寬T梁橋最優(yōu)布置數(shù)量和位置.

1 建立有限元模型

取不同寬跨比下(0.75、1.00、1.25、1.50)橋?qū)挼腡梁截面寬幅連續(xù)梁橋,結(jié)構(gòu)離散為縱橫向的梁格,20 m連續(xù)寬T梁模型主梁跨徑為4×20 m,每片主梁寬2.356 m;40 m連續(xù)寬T梁模型主梁跨徑為3×40 m,每片主梁寬2.5 m.車道載荷采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2015)由橋面中心線向兩側(cè)布置,計(jì)算橫隔板數(shù)量及位置的變化對于結(jié)構(gòu)撓曲變形的影響.

(1) 20 m跨徑連續(xù)寬T梁.將全橋橫隔板布置情況分為2片、3片、4片和5片4種布置情況建立計(jì)算模型,加載模型按照橫隔板的安裝數(shù)量不同,分為4種模型,具體見圖1.橫隔板具體布置位置見表1和圖2.

圖1連續(xù)寬T梁橋全橋計(jì)算模型

Fig.1 Calculation model for full bridge of continuous wide T beam bridge

橫隔板數(shù)量/片橫隔板位置2A、E3A、C、E4A、B、D、E5A、B、C、D、E

(2) 40 m跨徑連續(xù)寬T梁.將全橋橫隔板布置情況分為2片、3片、4片、5片和7片5種布置情況建立計(jì)算模型,加載模型按照橫隔板的安裝數(shù)量不同,分為5種模型,具體見圖3.橫隔板具體布置位置見表2和圖4.

圖3連續(xù)寬箱梁橋全橋計(jì)算模型

Fig.3 Calculation model for full bridge of continuous wide box girder bridge

圖4 全橋有限元模型橫隔板位置布置圖Fig.4 Layout of diaphragms in finite element model of full bridge

橫隔板數(shù)量/片橫隔板位置2A、G3A、D、G4A、C、E、G5A、C、D、E、G7A、B、C、D、E、F、G

2 連續(xù)寬T梁橋橫隔板布置優(yōu)化

裝配式梁橋梁結(jié)構(gòu)受力可以通過載荷橫向分布系數(shù)進(jìn)行簡化研究,通常認(rèn)為主梁所承受載荷與其撓度成正比,因此本文假定主梁所分配載荷與其撓度成正比,為研究最不利載荷組合作用下橫隔板片數(shù)及位置對中梁跨中撓度值變化情況,逐漸在有限元模型跨中增加橫隔板片數(shù),由于本文有限元模型中主梁片數(shù)隨寬跨比的增加而增加,不能簡單地確定某一片主梁撓度的變化規(guī)律,故下文僅討論不同寬跨比的情況下中梁最大撓度變化.

(1) 20 m跨徑連續(xù)寬T梁.為研究最不利載荷組合作用下跨徑為20 m寬橋結(jié)構(gòu)隨橫隔板片數(shù)增多中梁跨中撓度值變化情況,逐步增加中橫隔板數(shù)量,得到各不同橫隔板布置組合下中梁最大撓度變化趨勢,如表3、圖5和圖6所示.

圖5 不同寬跨比下中跨最大撓度變化圖

圖6 不同寬跨比下邊跨最大撓度變化圖

寬跨比橫隔梁數(shù)量/片中跨撓度/mm相對差值/%邊跨撓度/mm相對差值/%0．75210．7009．58738．855218．3311548．954-18．371058．76328．17321．00210．7109．49239．490138．767849．30128．582259．380-18．660-11．25211．0239．82639．768138．7261349．75508．673159．53328．50521．50210．6769．45439．485118．4571249．47808．466059．15038．2413

注： 相對差值為本次撓度計(jì)算結(jié)果與前次撓度差值的比值,下同.

由圖5和圖6可知,20 m連續(xù)T梁在不同寬跨比(0.75、1.00、1.25、1.50)條件下,中橫隔板的設(shè)置(3橫隔板模型)可以使載荷沿橫向更好地分布,有效地降低13%～20%中梁中跨和邊跨最大撓度值,當(dāng)繼續(xù)在跨中橫隔板兩側(cè)設(shè)置橫隔板時(shí)(5橫隔板模型),撓度值降低約1%～3%(表3).當(dāng)不在跨中布置橫隔板,而在中跨兩側(cè)約1/4處布置橫隔板(4橫隔板模型),最大撓度減小值與只在跨中布置橫隔板效果大致相同,不會繼續(xù)降低最大撓度值,反而有可能增大中梁最大撓度值.由表3可知中梁中跨最大撓度相對差值隨寬跨比的增加而減小.工程上布置5片橫隔板時(shí)一般采取均分布置,故本文計(jì)算了20 m跨徑5片均布橫隔板情況下中梁中跨和邊跨最大撓度并與表1中5片橫隔板撓度值進(jìn)行比較,計(jì)算結(jié)果顯示撓度差值在0.1 mm以下,因此認(rèn)為二者基本相同.

(2) 40 m跨徑連續(xù)寬T梁.為研究最不利載荷組合作用下跨徑為40 m寬橋結(jié)構(gòu)隨橫隔板片數(shù)增多中梁跨中撓度值變化情況,逐步增加中橫隔板數(shù)量,得到各不同橫隔板布置組合下中梁最大撓度變化趨勢,如表4、圖7和圖8所示.

表4 載荷作用下中梁最大撓度Table 4 Maximum deflection of middle beam under load

由圖7和圖8可知,在不同寬跨比條件下40 m連續(xù)寬T梁設(shè)置端橫隔板后,跨中設(shè)置橫隔板(3橫隔板模型)的可以使中跨跨中最大撓度減少34%～35%(表4),邊跨跨中減少26%～27%,繼續(xù)在跨中兩側(cè)1/3處設(shè)置兩片橫隔板(5橫隔板模型)可以使中跨跨中最大撓度較3橫隔板模型降低20%,邊跨跨中最大撓度減小14%,繼續(xù)增加跨中橫隔板橫隔板(7橫隔板模型),中梁最大撓度值只降低了3%～4%.當(dāng)在跨中兩側(cè)1/3處布置兩片橫隔板,跨中不布置橫隔板時(shí)(4橫隔板模型),邊中跨最大撓度大約只降低5%～7%,但仍能較3橫隔板模型有一定程度的降低,不會出現(xiàn)增大中梁最大撓度的現(xiàn)象(表4),且寬跨比的增加對中梁最大撓度相對差值影響不明顯.工程上布置5片橫隔板時(shí)一般采取均分布置,故本文計(jì)算了跨徑為40 m的5片均布橫隔板情況下中梁中跨和邊跨最大撓度并與表2中5片橫隔板撓度值進(jìn)行比較,計(jì)算結(jié)果表明撓度的差值在0.2 mm以下,因此認(rèn)為二者基本相同.

圖7 不同寬跨比下中跨最大撓度變化圖

圖8 不同寬跨比下邊跨最大撓度變化圖

3 結(jié) 論

(1) 對于跨徑為20 m的寬T梁橋,當(dāng)設(shè)置端橫隔板之后,僅在跨中設(shè)置1片橫隔板就已經(jīng)可以使載荷達(dá)到很好的分布效果,大幅度降低中梁最大撓度;對于跨徑為40 m的寬T梁橋設(shè)置5片橫隔板就可以使各梁載荷分配均勻,繼續(xù)增加橫隔板對載荷分布已不明顯.

(2) 隨著寬跨比的增加,跨徑為20 m寬T橋各梁受力趨于均勻,橫隔板不同布置位置對寬橋結(jié)構(gòu)受力影響變小;對于跨徑為40 m寬T梁,寬跨比對于各梁受力影響較小.

(3) 跨徑為20 m連續(xù)寬T梁橋在布置端橫隔板的情況下,布置跨中橫隔板和在兩側(cè)布置對于寬橋主梁受力影響大致相同.

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