預(yù)應(yīng)力混凝土T梁工作性能及抗彎承載力分析

穆英才

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

裝配式T梁由于可以提高出圖質(zhì)量和出圖效率，推進(jìn)橋梁建設(shè)管理專業(yè)化、施工標(biāo)準(zhǔn)化、管理精細(xì)化，在我國高速公路上大量使用。目前國內(nèi)很多單位都在組織人員進(jìn)行滿足新規(guī)范《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》(JTG D60—2015)T梁標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計，但對T梁工作性能及抗彎承載力分析的研究較少。橫隔梁在裝配式T形梁中起著保證各根主梁相互連成整體的作用，它的剛度愈大，橋梁的整體性愈好，在荷載作用下各主梁就能更好的協(xié)同工作，以橫隔梁為影響因素，探究其對T梁力學(xué)行為的影響。不設(shè)橫隔梁或設(shè)置較少的橫隔梁，造成橋梁橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度有所降低，較易出現(xiàn)翼板接縫處的縱向裂縫，梁肋裂縫也比相對較多，給后期養(yǎng)護(hù)維修帶來困難。因此，橫隔梁的設(shè)置對公路預(yù)應(yīng)力混凝土T梁工作性能及抗彎承載力尤為重要。

本論文作為課題“裝配式T梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究”的一部分，通過研究橫隔梁設(shè)置個數(shù)對T梁工作性能及抗彎承載力影響，對T梁通用圖編制和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 工程概況

依托“裝配式T梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究”課題，以40 m跨徑簡支T梁為研究對象，路基寬度25.5 m(單幅橋梁寬度12.5 m)，采用五片主梁，梁高2.5 m，梁間距2.525，翼板端部厚0.2 m，根部厚度0.29 m，預(yù)制邊梁寬2.05 m，中梁寬1.7 m，濕接縫寬0.825 m，邊梁懸臂1.2 m。橫斷面布置及T梁斷面見圖1～圖3。

圖1 計算模型橫斷面圖(單位：mm)

圖2 邊梁截面(單位：mm)

圖3 中梁截面(單位：mm)

2 計算模型

梁格法作為一種空間計算方法，就是將上部結(jié)構(gòu)用一個等效的空間構(gòu)架來模擬，基本概念清晰，易于理解應(yīng)用，較其他空間分析方法更為實用。本文采用midas有限元分析軟件按照空間梁格結(jié)構(gòu)剛度等效的原則建立40 m簡支T梁有限元模型，模型共有363個節(jié)點，529個單元，分析時忽略支座摩擦的影響，汽車荷載作用位置參照《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定執(zhí)行，建立模型如圖4所示。根據(jù)橋梁空間理論，荷載在(不同道數(shù)橫隔梁)各主梁間進(jìn)行橫向布置時，撓度或內(nèi)力的變化能夠反映出橫向分布系數(shù)的大小變化趨勢，即荷載的偏載和中載作用下的撓度或內(nèi)力的變化可以看出各主梁的受力狀態(tài)和工作性能，同時也反映了邊中梁實際的橫向分布系數(shù)的大小。通過探索撓度或內(nèi)力的變化來確定合理的橫隔板道數(shù)，為理論橫向分布系數(shù)計算提供橫梁剛度假定支撐。

圖4 梁格模型

3 橫隔梁對T梁工作性能影響

為分析研究橫隔梁設(shè)置個數(shù)對T梁跨中撓度的影響，以邊梁和中梁為研究對象，分別研究橫隔梁設(shè)置個數(shù)為2～9道橫隔梁(其中2道橫隔梁為設(shè)置端橫隔梁)時邊梁和中梁跨中撓度的變化情況，如圖5、圖6所示。

圖5 邊梁跨中撓度

圖6 中梁跨中撓度

從圖5、圖6中可以看出，在設(shè)置橫隔梁道數(shù)較少時，單梁(邊梁、中梁)受力明顯，即各片主梁的工作性能與相鄰主梁的聯(lián)系較弱、受力較為集中，其他各主梁無法共同分擔(dān)受力，T梁單梁空間工作性能明顯，這與橫向分布系數(shù)理論分析計算存在較大的誤差；隨著橫隔梁道數(shù)的增加，各主梁間的橫向聯(lián)系得到加強(qiáng)，形成較大的橫向剛度，為各主梁提供豎向和橫向支撐，這與理論橫向分布系數(shù)分析的假設(shè)較為接近，從而使主梁空間協(xié)同工作性能有明顯提高。

從圖5、圖6中也可以看出，隨著橫隔板個數(shù)的增加，主梁跨中撓度變化逐漸變小，當(dāng)設(shè)置7道橫隔板(包含端橫隔板)時，邊中梁跨中撓度變化趨于緩和，說明再次增設(shè)橫隔板對主梁影響較小，此時橫隔板設(shè)置個數(shù)已相對合理，橫向剛度(由橫隔板形成)能較好的約束主梁變形，提供豎向和橫向支撐。即設(shè)置合理的橫隔梁能明顯減小主梁撓度，提高裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的工作性能。另一方面，隨著橫隔梁道數(shù)增加，邊中梁撓度趨于穩(wěn)定時，此時橫向分布系數(shù)也與理論計算更為靠近，多道橫隔梁道數(shù)形成的橫向剛度也接近剛性橫梁法或者剛接板梁法的橫向剛度要求。

4 橫隔梁對T梁抗彎承載力影響分析

為進(jìn)一步分析研究橫隔梁設(shè)置個數(shù)對主梁跨中內(nèi)力的影響，同樣以邊中梁為研究對象，分別研究橫隔梁設(shè)置個數(shù)為2～9道橫隔梁(其中2道橫隔梁為設(shè)置端橫隔梁)時邊中梁跨中彎矩的變化情況，如圖7、圖8所示。

圖7 邊梁跨中彎矩

圖8 中梁跨中彎矩

從受力角度來看，設(shè)置橫隔梁有助于改善主梁內(nèi)力分布。一方面受荷邊中梁在跨中位置的峰值內(nèi)力降低較為明顯，跨中設(shè)置1道中橫隔梁后，跨中彎矩降為81%；設(shè)置2道中橫梁后，對應(yīng)位置彎矩降為72%；當(dāng)設(shè)置7道橫隔梁(包含端橫隔梁)時，跨中彎矩對應(yīng)位置降為54%；當(dāng)設(shè)置8、9道橫隔梁時跨中彎矩降幅明顯減小，說明設(shè)置7道橫隔梁已相對合理。另一方面，設(shè)置橫隔梁后主梁跨中彎矩明顯減小，提高了主梁抗彎承載力富余度，這對配置固定的預(yù)應(yīng)力鋼束(抗彎承載力已定)主梁來說，較多的橫梁能夠改善主梁受力，提高主梁的安全可靠度。從另外一個角度來講，對于出現(xiàn)病害或需要加固的此類橋梁來說，增設(shè)橫隔梁同樣能夠有效改善主梁受力。

5 結(jié) 論

橫隔梁的設(shè)置能夠?qū)梁的工作性能和抗彎承載力有明顯影響。較少的橫隔梁使得各主梁單梁受力明顯(空間工作性能明顯)，各主梁單梁工作性能突出，分擔(dān)了相對較多的上部車道荷載，即裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁作為整體受力的性能不能充分發(fā)揮；隨著橫隔梁道數(shù)的增加，主梁跨中撓度和彎矩均逐漸減小，即較多的橫隔梁有效的提高了橋梁的整體工作性能，從而提高了裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁實際抗彎承載能力，此時裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁實際工作性能與理論分析更為接近。

橫隔梁的設(shè)置增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系，對裝配式結(jié)構(gòu)的整體性提高有很大幫助，但橫隔梁并不是越多越好，當(dāng)橫隔梁道數(shù)大于7道時，各主梁受力工作性能改善不明顯，故裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁在設(shè)計時應(yīng)設(shè)置合理道數(shù)的橫隔梁，避免設(shè)置過多的橫隔梁，給后期施工、運營和維護(hù)帶來不必要的麻煩。

研究結(jié)論同樣可用于指導(dǎo)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋維修加固設(shè)計，特別是早期部分橋梁由于設(shè)置了較少的橫隔梁甚至不設(shè)置橫隔梁，經(jīng)過多年的運營后，出現(xiàn)了一些病害，從加強(qiáng)整體受力角度來看，增設(shè)橫隔梁可以有效提升裝配式結(jié)構(gòu)各主梁的抗彎承載能力，改善裝配式結(jié)構(gòu)的空間受力性能。