斜T梁橫隔板形式對(duì)主梁受力影響的數(shù)值分析

呂 船

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在橋梁建設(shè)中，簡(jiǎn)支T梁橋因其施工速度快，跨越能力強(qiáng)，工藝成熟而得到了廣泛的實(shí)踐應(yīng)用，為了保證主梁的橫向剛度，在T梁的腹板之間設(shè)置橫向連接，通常橫向連接在梁端和跨中均設(shè)置。當(dāng)在墩臺(tái)截面設(shè)置時(shí)稱為端橫隔板，在支撐截面以外時(shí)稱為中橫隔板。橫隔板在裝配式T形梁橋中起著保證各片主梁相互連接形成整體的作用，它的剛度越大，主梁的整體性越好，在荷載作用下各片主梁就能更好地協(xié)同作用[1]。

工程實(shí)踐中，因地形條件和線型的限制，有大量的簡(jiǎn)支T梁橋建成斜交T梁橋。斜交簡(jiǎn)支T梁橫橋向?yàn)槎嘀髁航Y(jié)構(gòu)，各主梁預(yù)制拼裝，混凝土現(xiàn)澆橫隔板和濕接縫，為保證結(jié)構(gòu)的整體受力性能，一般都要在主梁兩端設(shè)置端橫隔板，跨內(nèi)設(shè)置中橫隔板[2]，由于斜交橋的支撐邊與橋梁的縱軸線斜交，橫隔板的布置形式成為了影響斜交簡(jiǎn)支T梁受力性能的主要因素之一。

在裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋中,端橫隔板的布置通常是沿斜交橋的支撐邊，但是關(guān)于中橫隔板的布置形式卻有多種。本文以30 m跨徑斜交簡(jiǎn)支T梁橋結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用Midas FEA建立空間實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算，斜交角30°，分析跨內(nèi)3種橫隔板布置形式對(duì)主梁力學(xué)性能的影響，重點(diǎn)對(duì)比分析結(jié)構(gòu)空間受力和撓度的差別，得到斜交簡(jiǎn)支T梁中橫隔板的最合理布置形式，為以后類似橋梁的設(shè)計(jì)施工提供相關(guān)參考。

1 空間實(shí)體模型

1.1 模型參數(shù)

山西地區(qū)某高速公路橋梁為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋，施工圖紙采用部頒通用圖。選取30 m簡(jiǎn)支T梁為研究對(duì)象，橋面寬12.5 m，由5片梁組成，梁高2 m。預(yù)制主梁及橫隔梁、濕接縫、封錨端、橋面現(xiàn)澆混凝土均采用C50；橋面鋪裝采用瀝青混凝土，設(shè)計(jì)荷載公路一級(jí)。

主要采用的參數(shù)為：計(jì)算跨徑L=28.9 m；彈性模量E=3.45×104MPa；跨中截面慣矩Ic=0.574 m4；跨中截面慣矩 Ic=0.461 m4；跨中截面面積 Ac=1.004 m2；支點(diǎn)截面面積Ac=1.430 m2；中載面壓力4.2 kN/m2。

1.2 橫隔板的布置形式

斜交簡(jiǎn)支T梁的橫隔板布置，一般區(qū)分端橫隔板和中橫隔板。端橫隔板布置形式一般是平行于斜交橋的支撐邊，中橫隔板的布置主要有3種形式：一是中橫隔板平行于斜交橋的支撐邊（以下簡(jiǎn)稱斜布）；二是單片主梁中橫隔板分別正交于橋跨方向（以下簡(jiǎn)稱局部正布）；三是中橫隔板整體正交于橋跨方向（以下簡(jiǎn)稱正布）[3]。為探討橫隔板布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)受力的影響，本文以30 m跨徑斜交簡(jiǎn)支T梁為研究對(duì)象，橫隔板布置形式如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 橫隔板斜布

圖2 橫隔板局部正布

圖3 橫隔板正布

2 結(jié)構(gòu)空間受力分析

為了分析不同形式橫隔板對(duì)主梁受力性能的影響，本文提取局部縱橫向應(yīng)力值，分別沿縱橫向分析研究其應(yīng)力變化規(guī)律[4]。

2.1 主梁跨中底部縱向應(yīng)力

由于結(jié)構(gòu)龐大，本文選取縱向應(yīng)力值較大的跨中主梁底部，分析跨中底部縱橋向應(yīng)力值在橫橋向的變化情況。如表1所示。

表1 各主梁跨中底部縱橋向應(yīng)力 MPa

由表1可知，布置不同形式的橫隔板對(duì)主梁跨中底部縱向應(yīng)力影響情況明顯不同，采用斜布橫隔板方式時(shí)各主梁跨中底部縱向應(yīng)力值均值最小，相反采用正布橫隔板時(shí)最大，而采用正布橫隔板時(shí)，各主梁之間的縱向應(yīng)力差值最大，即應(yīng)力分布不均勻。

分析了跨中底部縱橋向應(yīng)力值在橫橋向的變化情況，我們選取具有代表性的中間主梁，分析跨中底部縱橋向應(yīng)力在縱橋向的變化規(guī)律，如圖4。

由圖4可知，3種形式的橫隔板布置方式，主梁跨中底部縱橋向應(yīng)力變化趨勢(shì)大致一致，其中斜布橫隔板時(shí)縱向應(yīng)力峰值要明顯小于其他兩種布置形式時(shí)的應(yīng)力峰值，而且同一縱向位置，斜布橫隔板時(shí)，縱向應(yīng)力值最低，結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)。

圖4 中間主梁跨中底部縱橋向應(yīng)力

2.2 主梁跨中底部橫向應(yīng)力

同時(shí)本文選取具有代表性的跨中主梁底部，分析橫橋向應(yīng)力值在橫橋向的變化情況。如表2所示。

表2 各主梁跨中底部橫橋向應(yīng)力 MPa

由表2可知，采用斜布橫隔板方式時(shí)，各主梁跨中截面的底部橫橋向應(yīng)力產(chǎn)生拉應(yīng)力，雖然應(yīng)力數(shù)值不大，但使混凝土處于受拉狀態(tài)，不利于混凝土的受力，混凝土容易開(kāi)裂。相反局部正布方式，橫橋向應(yīng)力變化均勻。

3 橫隔板局部應(yīng)力分析

為了研究橫隔板自身受力性能，通過(guò)觀察應(yīng)力云圖，我們發(fā)現(xiàn)，不論采用何種橫隔板布置方式，在中載面壓力作用和自身質(zhì)量的作用下，跨中橫隔板均處于最不利受力位置[5]，具體受力情況如表3和表4。

表3 2號(hào)和3號(hào)主梁跨中橫隔板上翼緣橫橋向應(yīng)力 MPa

表4 2號(hào)和3號(hào)主梁跨中橫隔板下翼緣橫橋向應(yīng)力 MPa

通過(guò)分析表3、表4可知，正布和局部正布橫隔板使橫隔板自身在上翼緣產(chǎn)生拉應(yīng)力，而斜布橫隔板沒(méi)有出現(xiàn)這種情況；同時(shí)正布橫隔板時(shí)，下翼緣各主梁應(yīng)力差值最大達(dá)0.7 MPa，局部正布橫隔板時(shí)，下翼緣各主梁應(yīng)力差值最大達(dá)0.49 MPa，斜布橫隔板時(shí)，下翼緣各主梁應(yīng)力差值最大達(dá)0.24 MPa，說(shuō)明斜布橫隔板時(shí)橫隔板自身的應(yīng)力變化均勻，而且應(yīng)力值較其他兩種方式明顯較小，利于結(jié)構(gòu)的受力。

4 結(jié)構(gòu)撓度分析

在荷載作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定變形，對(duì)于不同的橫隔板布置形式，即使荷載工況相同，結(jié)構(gòu)的變形量也會(huì)有差異，本文對(duì)比分析同一中載工況下主梁跨中的撓度和跨中橫隔板撓度的變化情況。

4.1 橫隔板撓度

數(shù)值模擬分析過(guò)程中，雖然控制了跨徑和斜交角的度數(shù)，但是不同的橫隔板布置形式會(huì)導(dǎo)致橫隔板縱向布置位置的偏差，但最中間橫隔板布置位置相對(duì)固定，因此本文對(duì)比全橋最中間布置的橫隔板進(jìn)行研究，其撓度如表5所示。

表5 跨中橫隔板底部撓度 mm

由表5可知，同為最中間橫隔板，斜布橫隔板的撓度最大，與另外兩種布置形式橫隔板撓度平均差值1.5 mm，差距較小，正布橫隔板的撓度最小。

4.2 主梁跨中撓度

數(shù)值模擬分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，縱橋向中間梁片的撓度變化最明顯，橫橋向各主梁跨中點(diǎn)撓度最大，因此，本文選取上述撓度變化最大的位置進(jìn)行分析，如表6所示。

表6 各主梁跨中底部撓度 mm

由表6可知，各主梁跨中底部撓度值由于橫隔板布置形式的不同而具有差異性。斜布橫隔板的平均撓度值17.387 5 mm，正布橫隔板的平均撓度值15.785 2 mm，局部正布橫隔板的平均撓度值15.924 9 mm，三者最大差值1.602 3 mm，從數(shù)值大小判斷，正布橫隔板對(duì)于主梁跨中撓度的控制較為有利；其余兩種布置方式與其差距亦不大。

分析了跨中底部撓度值在橫橋向的變化情況，我們選取具有代表性的3號(hào)主梁，分析跨中底部撓度在縱橋向的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 3號(hào)主梁跨中底部撓度變化圖

由圖5可知斜交橋中間梁片底部撓度的變化規(guī)律，橫隔板的3種布置形式對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的撓度產(chǎn)生了差異性影響，特別是在跨中位置及其附近的一定范圍內(nèi)，其中正布橫隔板和局部正布橫隔板的差異性很小，變化規(guī)律曲線基本重合，這兩者與斜布橫隔板有明顯的差異，但差異的絕對(duì)值較小，這與上述各主梁跨中撓度變化規(guī)律和最中間橫隔板自身?yè)隙茸兓?guī)律具有一致性，斜布橫隔板在控制結(jié)構(gòu)的撓度方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，相反另外兩種布置方式表現(xiàn)出相對(duì)優(yōu)勢(shì)[6]。

5 結(jié)論與建議

a）采用斜布橫隔板和局部正布橫隔板方式時(shí)各主梁跨中底部縱向應(yīng)力均值較小，各主梁之間的縱向應(yīng)力分布均勻；采用斜布橫隔板時(shí)中間梁片跨中底部縱橋向應(yīng)力峰值要明顯小于其他兩種布置形式時(shí)的應(yīng)力峰值，而且同一縱向位置，斜布橫隔板時(shí)，縱向應(yīng)力值最低，結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)。

b）采用斜布橫隔板方式時(shí)，主梁跨中底部橫橋向應(yīng)力產(chǎn)生拉應(yīng)力，雖然應(yīng)力數(shù)值不大，但使混凝土處于受拉狀態(tài)，不利于混凝土的受力，混凝土容易開(kāi)裂。相反局部正布方式，橫橋向應(yīng)力變化均勻。

c）斜布橫隔板時(shí)橫隔板自身的應(yīng)力變化均勻，而且應(yīng)力值較其他兩種方式明顯較小，利于結(jié)構(gòu)的受力。

d）橫隔板的3種布置形式對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的撓度值產(chǎn)生了差異性影響，特別是在跨中位置及其附近的一定范圍內(nèi)，其中正布橫隔板和局部正布橫隔板的差異性很小，這兩者與斜布橫隔板有明顯的差異，但差異的絕對(duì)值較小，斜布橫隔板在控制結(jié)構(gòu)的撓度方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但是其結(jié)果均為規(guī)范允許范圍內(nèi)。

e）僅從力學(xué)性能考慮，斜布橫隔板和局部正布橫隔板都是可取的斜T梁中橫隔板布置方式。但綜合考慮施工難易程度和單梁的可替換性，推薦斜T梁采用斜布中橫隔板方式加強(qiáng)橋梁的橫向聯(lián)系。