預應力簡支T梁橋參數化計算分析系統設計和實現

肖明洋,王 維

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

預應力簡支T梁橋參數化計算分析系統設計和實現

肖明洋,王 維

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

預應力簡支T梁是一種常見的橋梁結構形式，由于水電站道路通行的特殊車輛種類較多，設計時需對各種特殊車輛進行計算分析，過程十分繁瑣。本文將此類橋梁的主要設計變量參數化，編制程序實現自定義交通荷載橫向分布系數計算及橫梁、橋面板驗算，并基于Midas Civil的數據接口自動建立整體分析模型，縮短了此類橋梁的設計周期，實現了計算分析的標準化。

簡支T梁橋;MCT數據接口;橋面板計算;橫梁計算;自定義交通荷載

0 前 言

預應力簡支T梁橋是公路設計中最常見的橋型之一，通常參照標準圖設計，在水電站相關橋梁設計中，由于橋梁寬度、交通荷載等級、橋梁橫向布置、非標準跨徑等因素通常需要對標準圖進行修改，并進行各項計算，以滿足規范的相關要求。通常，現有的設計計算流程如圖1所示。與普通公路設計不同，水電站相關交通設施通過的材料、設備等大件運輸較為普遍，設計過程中需要對多種交通荷載分別進行校核，過程繁瑣。本文對T梁橋計算過程進行抽象，將T梁橋和各類交通荷載參數化，實現各汽車/掛車荷載作用下的橋面板和橫梁自動計算，同時利用Midas Civil程序的MCT數據接口縱向自動建立

邊、中T梁的整體計算模型。結合藏木水電站場內交通的某預應力簡支T梁的設計過程進行驗證。

圖1 預應力簡支T梁設計的一般計算過程

1 結構和荷載的參數化

系統設計的第一步是對預應力簡支T梁橋和其承受的荷載進行參數化，用一組標準化的數據來描述橋梁的主要設計變量，參數化的過程既需要考慮設計習慣，使參數盡可能少，又要保證需要修改的設計變量能夠充分開放給工程師。結構和荷載參數分類如圖2所示。

圖2 結構和荷載參數分類

橋梁參數中，橋面布置信息為護欄、人行道、行車道寬度布置及鋪裝層厚度；普通鋼筋信息包括T梁的底面主筋、跨中及支點箍筋，橋面板的主筋，橫梁的頂底面主筋、箍筋信息。T梁及橫隔梁尺寸包含兩類構件的截面尺寸及其位置分布；預應力鋼束形狀通過彎起角度、彎曲半徑、跨中高度、錨固位置四個參數進行描述。

荷載選取簡支梁計算過程中主要考慮的6類荷載即：結構自重、二期恒載、預應力荷載、溫度梯度、汽車/掛車荷載、人群荷載，由于結構自重和預應力荷載相對固定，無需專門描述。其中汽車/掛車根據現行規范，分為3類：(1)分布荷載+集中荷載的車道荷載模式，如現行橋涵規范中的公路I級[5]、城-A荷載等;(2)單車輪載列+最小間距描述汽車荷載，單車數量不限制，如汽-60、汽-80荷載等[3];(3)特殊掛車荷載，車頭+掛車輪載列描述，全橋居

中布置1輛，不計沖擊系數，如特-160、特-300等[3]。由于不同種類構件計算需要不同的荷載模式，自定義交通荷載時，需要指定每種交通荷載的縱向總體加載模式、縱向局部加載模式和橫向局部加載模式三種模式，如公路I級荷載需要描述車道荷載、車輛荷載縱向布置、車輛荷載橫向布置(含車輪著地寬度信息)。

2 功能模塊設計

在參數化完成的基礎上，以目標為導向劃分為縱梁模型生成模塊、橋面板及橫梁計算三個功能模塊，并逐一進行設計。各功能模塊的子模塊劃分如圖3所示。

圖3 各功能模塊的子模塊劃分

2.1 縱梁模型生成模塊

Midas Civil是一款國內橋梁設計領域常用的橋梁有限元軟件之一，該平臺上，工程師可以通過文本格式MCT文件建模替代手工界面操作，從而加快建模速度。該模塊首先通過按照修正的偏心壓力法計算各縱梁的橫向影響線[1]，基于動態規劃的影響線加載算法進行影響線加載[2],求得每片T梁的橫向分布系數；根據橋梁結構特殊點(如橫梁位置、支座位置、變截面位置等)和用戶輸入的參考單元尺寸，對縱梁進行智能的單元劃分，生成節點單元坐標和編號信息，計算鋼束坐標并關聯到單元，最后按照數據格式的要求生成MCT文件，包含不同交通荷載工況下的中梁及邊梁計算模型，用戶可以直接在Midas Civil平臺上運行MCT文件，生成對應計算模型，高效完成計算分析工作。

2.2 橋面板計算模塊

T梁的橋面板屬于局部構件，按現行規范的計算過程難以采用標準的有限元軟件進行。T梁橋的橫梁間距一般情況都大于縱梁間距的2倍以上，根據規范規定可按單向板進行計算。T梁的邊梁外側懸臂板，由于護欄寬度、人行道及車輪距離路沿石最小距離的限制，一般不起控制作用，系統設計時未考慮懸臂板計算的情形，僅按照單向板對橋面板進行計算，能滿足絕大多數簡支T梁橋的計算需求。該模塊首先按照交通荷載的局部縱向加載模式計算橋面板有效分布寬度，然后對等效簡支板的跨中彎矩和支點剪力影響線加載，經過換算得到單位寬度橋面板的實際彎矩和剪力，并對板跨中和支點截面的抗彎承載力和最大裂縫寬度進行驗算，對支點截面的抗剪承載力按無腹筋板進行驗算[4]，最后輸出詳細的計算書。

2.3 橫梁計算模塊

一般的預應力混凝土T梁的中橫梁對設計起控制作用[1]，該模塊首先按照杠桿法計算中橫梁的縱向影響線，并根據交通荷載的縱向局部加載模式對其進行影響線加載，然后按照彈性支撐連續梁計算模型，計算中橫梁每個支點兩側截面和跨中截面的內力影響線，并按照橫向局部加載模式進行橫向加載，求得橫梁的最不利正負彎矩和剪力，最后進行抗彎承載力、裂縫寬度驗算及抗剪承載力驗算，并輸出詳細的計算書供用戶參考和復核。

3 計算實例

以藏木水電站場內交通工程的某5-40 m預應力簡支T梁橋為例，其設計汽車荷載為汽-60級。采用本系統，中梁的Midas Civil計算模型如圖4所示。橋面板和橫梁主要計算結論如表1所示。

圖4 Midas Civil平臺中的縱向中梁的整體計算模型

驗算項目計算值允許值是否滿足橋面板單位板寬跨中抗彎/kN·m32.449是橋面板單位板寬支點抗彎/kN·m45.468.6是橋面板單位板寬支點抗剪/kN150221.8是橋面板跨中最大裂縫寬度/mm0.090.2是橋面板支點最大裂縫寬度/mm0.10.2是橫梁正彎矩抗彎/kN·m7871234是橫梁負彎矩抗彎/kN·m727927是橫梁抗剪承載力/kN6921034是橫梁頂面最大裂縫寬度/mm0.120.2是橫梁底面最大裂縫寬度/mm0.10.2是

4 結 論

采用本系統后，僅通過修改少數設計變量，就能實現自動建立預應力簡支T梁橋主梁縱向整體有限元模型，對橋面板、橫梁等局部構件進行自動驗算；通過自定義荷載功能，也能方便快捷對運輸水電站大件設備的非標準掛車荷載的通過性進行檢查，提高了計算分析效率；同時，標準化計算降低了工程師手動建模和手算過程中出錯的概率，提高了結構設計的可靠性。

[1] 范立礎.橋梁工程[M]，北京：人民交通出版社，2001.

[2] 石志源.橋梁結構電算[M]，北京：人民交通出版社，2011.

[3] NB/T 35012-2013.水電工程對外交通專用公路設計規范[S].2013.

[4] JTG D62-2004.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].2004.

[5] JTG D60-2004.公路橋涵設計通用規范[S].2004.

2016-09-02

肖明洋(1986-)，男，四川岳池人，碩士,工程師，從事橋梁設計工作。

U441.2

B

1003-9805(2017)01-0092-02