寬幅裝配式T梁橋荷載試驗(yàn)及橫向分布分析方法研究

傅立軍，李院軍，王新偉

(1. 河南省新伊高速公路有限公司 鄭州市 450000； 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院 西安市 710064；3. 臨沭縣交通運(yùn)輸局規(guī)劃科 臨沂市 276700)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，車流量以及行駛速度也隨之增長，為了適應(yīng)交通量的快速增長，道路的寬度必定相應(yīng)增大，裝配式寬梁橋在設(shè)計(jì)建設(shè)中扮演著越來越重要的角色。尤其是在城市主干道市政橋梁建造中，隨著車流量的激增，橋梁寬度越來越大，有的甚至超過80m，導(dǎo)致寬跨比大于1，甚至更大。當(dāng)梁橋?qū)捒绫?B/L)增大時(shí)，橋梁的整體受力變得不同，結(jié)構(gòu)有著顯著空間效應(yīng)，原有的荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算方法可能會(huì)失真，故亟需對(duì)寬幅裝配式梁橋荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算方法的適用性進(jìn)行研究[1]。

目前在國外研究中，英國BS5400橋規(guī)[2]在荷載規(guī)范中定義了荷載橫向分布，但沒有將荷載橫向分布系數(shù)的公式板書出來；美國 AASHTO 規(guī)范[3]通過對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究分析得到關(guān)于荷載橫向分布的函數(shù)關(guān)系式；日本的“國有鐵道混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)解說”，將求荷載分布系數(shù)的GNl法及德國的Leonhardtd法用表板書在了附錄中[4]。國內(nèi)學(xué)者也做了有益的工作，聶瑞鋒等[5]建立考慮不同參數(shù)影響因素的有限元橋梁結(jié)構(gòu)模型，得出了計(jì)入結(jié)構(gòu)性能退化的彎矩橫向分布系數(shù)理論研究方法。翟銳[6]在其論文當(dāng)中采用單梁有限元法計(jì)算連續(xù)體系橋梁參數(shù)γ，而后基于鉸接板法對(duì)連續(xù)體系橋梁荷載橫向分布進(jìn)行了求解，計(jì)算結(jié)果與空間有限元法所得結(jié)果一致，驗(yàn)證了這種改進(jìn)方法的有效性。潘言全等[7]利用荷載橫向分布理論及有限元法相結(jié)合，提出對(duì)于較寬的板橋采用有限元法分析其橫向分布比較合理。 周建庭等[8]對(duì)寬跨比較大的簡支板橋，建立不同寬跨比的有限元實(shí)體模型，根據(jù)模型分析結(jié)果同傳統(tǒng)荷載橫向分布理論方法得到的結(jié)果之間的差別，研究得出較為精確的內(nèi)力簡化計(jì)算關(guān)系式。陳強(qiáng)等[9]在比擬正交異性板法計(jì)算理論基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究推導(dǎo)出大寬跨比橋梁結(jié)構(gòu)荷載橫向分布函數(shù)關(guān)系式。

可見，大部分的研究，主要針對(duì)簡支裝配式窄橋，使研究結(jié)果的適用范圍受限，且計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)的方法較少，一般使用鉸接板法或G-M法(比擬正交異性板法)，使得對(duì)比方法局限性。此外，對(duì)寬橋荷載橫向分布系數(shù)現(xiàn)有方法的修正，都只是來源于單純是數(shù)據(jù)分析，而缺乏理論推導(dǎo)，因此需要對(duì)裝配式寬橋的荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)一步研究。

依托胡家寨分離式立交橋，針對(duì)裝配式寬幅梁橋荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行研究，采用修正偏心壓力法、剛接梁、G-M法和梁格法計(jì)算跨中截面荷載橫向分布系數(shù)，最后用該橋的荷載試驗(yàn)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，以尋求寬幅裝配式T梁橋的橫向分布規(guī)律和計(jì)算方法的適用性。

1 工程背景

胡家寨分離式立交橋中心樁號(hào)為 K15+897.46，孔徑 3×20m， 橋梁全長 66m，寬跨比為1.0，主梁片數(shù)為8片，梁高1.5m。橋?qū)?9.5m，布置形式為0.5m+18.5m(行車道)+0.5m。上部結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土 T 梁，下部為圓柱式墩，樁基礎(chǔ)；肋板臺(tái)，樁基礎(chǔ)。全橋立面圖見圖1。

2 已有分析方法

2.1 分析方法

主要分析寬幅裝配式梁橋跨中截面的荷載橫向分布問題，并根據(jù)已有關(guān)于荷載橫向分布問題的研究成果，采用剛接梁法、修正偏心壓力法、G-M法和梁格法這四種方法，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，尋求大寬跨比下裝配式T梁橋荷載橫向分布最優(yōu)計(jì)算方法及荷載橫向分布具體規(guī)律。

有限元法使用Midas Civil建模，單元采用梁單元，有限元模型見圖2。計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)的過程為：分別在各梁跨中施加集中荷載，然后讀取相應(yīng)梁的跨中撓度值，并與各梁跨中撓度值相比，即得到各片梁的橫向分布影響線，接著繪制影響線，并在影響線上進(jìn)行最不利加載，最后可求得荷載橫向分布系數(shù)[10]。

2.2 分析結(jié)果

裝配式梁橋荷載橫向分布能力一般以主梁的影響線和荷載橫向分布系數(shù)來反映，由第1小節(jié)可知，胡家寨分離式立交橋由8片左右對(duì)稱的梁組成，故選取1#～4#梁進(jìn)行橫向分析。

(1)影響線

通過四種計(jì)算方法，分別計(jì)算4片梁的影響線豎標(biāo)值，再把對(duì)應(yīng)梁號(hào)處的影響線豎標(biāo)值連起來，便可得到該片梁的影響線，具體結(jié)果見圖3。

對(duì)于1#梁影響線，如圖3(a)所示，1#梁影響線豎標(biāo)值最大值在1#梁處，隨著離1#梁越來越遠(yuǎn)，剛接梁法、G-M法和梁格法三種計(jì)算方法的影響線豎標(biāo)值以曲線形式下降，而修正偏心壓力法則以直線方式遞減。前者三種方法計(jì)算的影響線豎標(biāo)值變化較為相近，相對(duì)誤差都在5%以內(nèi)，而偏心壓力法與其他三種方法的計(jì)算結(jié)果誤差較大。對(duì)于2#梁～4#梁影響線，如圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)所示，由3幅圖可知，每片梁的影響線豎標(biāo)值最大值就是對(duì)應(yīng)梁號(hào)處，隨著由1#梁～4#梁，剛接梁法、G-M法和梁格法三種方法計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差及趨勢(shì)較為相近，可見三種計(jì)算方法的正確性，而修正偏心壓力法前后的趨勢(shì)皆為直線下降，明顯與橋梁實(shí)際情況嚴(yán)重不符。

(2)荷載橫向分布系數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算的每片梁的影響線，再進(jìn)行最不利加載，便可得到四種計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算方法的結(jié)果，因暫未有實(shí)橋的數(shù)據(jù)，此外有限元梁格法現(xiàn)模擬裝配式梁橋已經(jīng)較為準(zhǔn)確，則以梁格法為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，具體結(jié)果見表1和圖4，可以從中比較計(jì)算結(jié)果的差值。

表1 邊跨寬跨比1.0荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比表

結(jié)果分析：

①對(duì)于修正偏心壓力法，由表1和圖4可知，從邊梁到中梁荷載橫向分布系數(shù)逐漸減小，反映了其橫向受力分布規(guī)律。修正偏心壓力法計(jì)算結(jié)果與有限元梁格法結(jié)果對(duì)比誤差較大，最大誤差達(dá)-20.97%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工程允許誤差。由此可知，修正偏心壓力法不適用于寬幅裝配式T梁橋荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算，分析其原理可得，由于修正偏心壓力法假設(shè)橋梁橫向剛度為無限大，修正后也只能改變主梁橫向分布影響線的斜率，不能改變其線性變化性質(zhì)，而對(duì)于寬幅橋其橫橋向較為寬，往往不能滿足假設(shè)，隨著橋梁寬度越寬，其橫向剛度越小。

公路橋梁施工管理的養(yǎng)護(hù)和加固技術(shù)對(duì)于工程質(zhì)量提升具有重大影響。工程建設(shè)中，施工人員只有充分認(rèn)識(shí)到公路橋梁養(yǎng)護(hù)及加固技術(shù)應(yīng)用的必要性，并在分析其應(yīng)用特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)行較高質(zhì)量的養(yǎng)護(hù)和加固技術(shù)應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用質(zhì)量的提升，進(jìn)而推動(dòng)公路橋梁工程的良性、可持續(xù)發(fā)展。

②對(duì)于剛接梁法，由表1和圖4可知，其計(jì)算結(jié)果與梁格法相比誤差較小，誤差范圍在-0.42%～1.84%，1#梁、2#梁為正誤差，3#梁、4#梁為負(fù)誤差，其結(jié)果誤差都在工程允許范圍內(nèi)，因此，剛接梁法適用于寬幅裝配式T梁橋荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算。

③對(duì)于G-M法，由表1和圖4可知，其計(jì)算結(jié)果與梁格法相比誤差較小，最大誤差僅為-3.51%，1#梁、2#梁為負(fù)誤差，3#梁、4#梁為正誤差，其結(jié)果符合工程使用要求，故對(duì)于寬幅裝配式T梁橋荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算可用G-M法計(jì)算。

3 荷載試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

通過加載試驗(yàn)，記錄橋梁在荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，為橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況及承載能力評(píng)定和日后養(yǎng)護(hù)、維修、加固的決策提供科學(xué)依據(jù)和支持。荷載試驗(yàn)的內(nèi)容為控制截面的靜動(dòng)載試驗(yàn)，其中主要為相應(yīng)加載工況下測(cè)試截面或橋跨等分點(diǎn)處撓度。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置與加載方式

胡家寨分離式立交橋?yàn)?×20m的裝配式連續(xù)梁橋，現(xiàn)根據(jù)規(guī)范要求，選取第2跨和第3跨做為試驗(yàn)跨，共兩個(gè)測(cè)試斷面，分別為A1-A1、C1-C1，具體位置見圖5。撓度測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)： 在A1-A1、C1-C1截面橫向布置 8個(gè)測(cè)點(diǎn)。

本次試驗(yàn)共4個(gè)工況，每個(gè)測(cè)試斷面都有偏載和中載，其中偏載和中載皆為3輛加載車，布載方式按照規(guī)范要求橫向間距布置車輛。按照分級(jí)加載方式進(jìn)行加載，分為3級(jí)，詳細(xì)車輛布置情況見圖6。

3.3 結(jié)果分析

因篇幅限制，荷載試驗(yàn)僅考慮偏載情況下，按照規(guī)范加載，有限元方法、GM法和剛接梁法皆用此加載方式。可根據(jù)偏載情況下，實(shí)測(cè)的各片梁跨中截面撓度值與各片梁跨中截面撓度值之和之比來計(jì)算跨中截面荷載橫向分布系數(shù)，計(jì)算公式為式(1)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11]得知，實(shí)橋撓度計(jì)算橫向分布系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

fi—為各主梁實(shí)測(cè)撓度值。

(1)影響線計(jì)算

整理荷載試驗(yàn)每片梁的撓度值，便得到實(shí)測(cè)每片梁的影響線，再把第2小節(jié)中剛接梁法、G-M法和梁格法三種方法計(jì)算的影響線進(jìn)行對(duì)比，因篇幅限制，下面僅對(duì)4#梁影響線對(duì)比圖進(jìn)行對(duì)比。

由圖7可知，四種方法的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)較為接近，其中梁格法的計(jì)算結(jié)果最大，剛接梁法和G-M法次之，實(shí)測(cè)值最小，可以看出梁格法的計(jì)算最為保守，實(shí)測(cè)值之所以最小，是由于理論計(jì)算時(shí)并未考慮橋面鋪裝和護(hù)欄對(duì)荷載的橫向分布作用 。總體來說，梁格法、剛接梁法和G-M法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差還是較小，與第2小節(jié)結(jié)論一致。

(2)荷載試驗(yàn)橫向分布計(jì)算

實(shí)橋主梁橫向分布系數(shù)計(jì)算，采用實(shí)測(cè)主梁撓度值，根據(jù)式(1)計(jì)算。在四種計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算方法下，得出的結(jié)果見圖8。

從圖8可以看出，當(dāng)加入實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比后，與圖4結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，從邊梁到中梁其荷載橫向分布系數(shù)值都是逐漸遞減，且剛接梁法和G-M法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，最大誤差僅為4.5%，符合實(shí)際工程要求。

4 結(jié)論

對(duì)于寬幅裝配式T梁橋，計(jì)算跨中截面荷載橫向分布系數(shù)時(shí)，剛接梁法和G-M法精確度都較高，而修正偏心壓力法計(jì)算結(jié)果明顯失真，故計(jì)算寬幅裝配式T梁橋荷載橫向分布系數(shù)時(shí)，推薦使用剛接梁法或G-M法。