梁格法在T型梁橋靜載試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

侯 攀，彭放枚

(1.廣西交通工程檢測(cè)有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

0 引言

在我國(guó)現(xiàn)役橋梁中，混凝土T梁橋由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確、預(yù)制施工方便等優(yōu)點(diǎn)，成為了使用最多的橋型之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在廣西有70%的公路橋梁采用了裝配式T梁橋。目前，我國(guó)的橋梁建設(shè)日趨平緩，已逐步進(jìn)入橋梁養(yǎng)護(hù)期。為檢測(cè)運(yùn)營(yíng)期橋梁的承載能力，橋梁荷載試驗(yàn)是最直接有效的方法。荷載試驗(yàn)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)在役橋梁的實(shí)際狀況進(jìn)行理論計(jì)算，對(duì)于混凝土T梁橋，目前常用的理論計(jì)算方法是單梁和梁格法計(jì)算。本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為依托，驗(yàn)證梁格法在T梁橋荷載試驗(yàn)中的使用效果，并與單梁法進(jìn)行比較，為梁格法在T梁橋荷載試驗(yàn)中的應(yīng)用提供參考，同時(shí)為規(guī)范混凝土T梁橋的養(yǎng)護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 荷載試驗(yàn)理論計(jì)算方法原理

1.1 單梁法基本原理

單梁法是將空間結(jié)構(gòu)通過(guò)橫向分布理論轉(zhuǎn)化為平面桿系來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。由于T梁橫向主要采用濕接縫連接，采用單梁計(jì)算時(shí)，主梁的荷載橫向分布系數(shù)通常采用的是剛接法，該方法實(shí)際上是考慮了橫向彎矩的完全有效傳遞[1]。單梁法計(jì)算快捷，建模簡(jiǎn)單，但在實(shí)際工程中，由于施工因素、荷載疲勞、病害等因素，T梁橫向連接的彎矩傳遞效率是無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)的，因此在后期的荷載試驗(yàn)承載能力評(píng)估過(guò)程中，實(shí)測(cè)值與理論值存在較大的差異。

1.2 梁格法基本原理

梁格法是用等效梁格代替橋梁上部結(jié)構(gòu)，各區(qū)域內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于鄰近的等效梁格內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi)，橫向剛度則集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)。梁格等效原則理論上應(yīng)滿足：當(dāng)原型實(shí)際結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的等效梁格承受相同荷載時(shí)，兩者的撓曲應(yīng)恒等，任一梁格內(nèi)的彎矩、剪力和扭矩應(yīng)等于該梁格所代表的實(shí)際結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)力[2]。采用梁格法對(duì)T梁進(jìn)行分析時(shí)，由于橫向連接采用了梁格構(gòu)件等效，因此，可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)狀況調(diào)整橫向連接構(gòu)件的剛度，使理論計(jì)算更加符合實(shí)際狀況。

T梁由于其結(jié)構(gòu)受力明確，劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)遵循如下要點(diǎn)[3]：

(1)對(duì)于非密排的T梁，可取單個(gè)T梁為一個(gè)縱向梁格。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，應(yīng)先對(duì)T梁的有效寬度進(jìn)行計(jì)算，縱梁的翼緣板尺寸應(yīng)不大于規(guī)范規(guī)定的有效寬度，翼緣板的有效寬度的計(jì)算按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)4.2.2條計(jì)算。

(2)在未設(shè)置橫隔板的位置，橫橋向采用翼緣板連接，主梁的縱橋向彎矩完全由T形截面承擔(dān)。

(3)梁格的節(jié)段劃分應(yīng)符合上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力性能。在設(shè)置了橫隔板的位置，應(yīng)將橫隔板單獨(dú)進(jìn)行梁格劃分，且網(wǎng)格不宜過(guò)大。未設(shè)置橫隔板的位置，橫向梁格的大小參考縱向梁格的大小劃分。

(4)內(nèi)力突變區(qū)應(yīng)加密網(wǎng)格，比如支點(diǎn)附近，縱、橫向構(gòu)件的間距應(yīng)大約相等。此外靜載試驗(yàn)關(guān)鍵截面附近網(wǎng)格加密可讓理論值更加精確。

(5)結(jié)構(gòu)容重的計(jì)算計(jì)入縱梁，橫梁采用虛擬梁的形式，容重為0。

2 梁格法在橋梁荷載試驗(yàn)中的應(yīng)用分析

2.1 工程概況

本文以某高速公路四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T形梁橋的橋梁靜載試驗(yàn)為例進(jìn)行分析。該橋橋梁跨徑組合為4×40 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁。橋面總寬12.75 m，橫向布置為0.5 m(防撞墻)+11.75 m(車行道)+0.5 m(防撞墻)。每跨橫向布置6片T梁，梁高250 cm，邊梁寬185 cm，中梁寬170 cm，濕接縫寬45 cm。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：公路一級(jí)。本文取第二跨最大正彎矩的正載工況為例進(jìn)行計(jì)算。T梁截面尺寸如圖1～2所示。

圖1 中梁跨中截面尺寸圖(單位：cm)

圖2 邊梁跨中截面尺寸圖(單位：cm)

2.2 梁格法計(jì)算模型及結(jié)果分析

2.2.1 建立梁格法有限元模型

根據(jù)梁格法劃分梁格的相關(guān)要求及原則，對(duì)該橋主梁縱梁翼緣板進(jìn)行有效寬度計(jì)算，確定縱橫向梁格尺寸和間距。網(wǎng)格劃分如下：縱向梁格控制在1～2 m內(nèi)，荷載試驗(yàn)關(guān)鍵截面處加密網(wǎng)格，將縱梁濕接縫1/2計(jì)入縱梁進(jìn)行計(jì)算，虛擬橫梁用“一”字型截面模擬，間距取1～2 m，網(wǎng)格劃分與縱梁梁格一致，試驗(yàn)關(guān)鍵截面處網(wǎng)格加密，截面尺寸與濕接縫實(shí)際尺寸一致。

有限元模型的建立采用目前較常用的大型通用有限元計(jì)算軟件Midas civil，結(jié)構(gòu)離散圖如圖3～4所示。全橋共計(jì)731個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分梁?jiǎn)卧?22個(gè)，為方便模擬車輛荷載的加載，另建立360個(gè)薄板單元模擬橋面板?？v梁混凝土彈性模量取3.45×104MPa，容重26 kN/m3。設(shè)計(jì)15 cm混凝土鋪裝，考慮到橋面鋪裝層混凝土施工質(zhì)量、尺寸偏差等因素，計(jì)入12 cm厚混凝土鋪裝對(duì)上構(gòu)抗彎剛度的影響。橫梁及橫隔板混凝土密度均取0，彈性模量與泊松比取實(shí)際值，即保證橫向聯(lián)系的剛度與實(shí)際一致，彎矩傳遞有效值采用100%。

圖3 梁格結(jié)構(gòu)離散圖

圖4 主梁梁格劃分示意圖

2.2.2 與單梁法理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

在T型梁橋的理論中，往往是將橫向連接作為剛接進(jìn)行設(shè)計(jì)的，然而在橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，受施工工藝、材料時(shí)變效應(yīng)等因素的影響，橫向連接的剛度顯然無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的水平，而荷載試驗(yàn)則是測(cè)試結(jié)構(gòu)橫向分布系數(shù)最好的辦法，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)理論驗(yàn)證。本文分別采用剛接法和梁格法求解三車道汽車荷載作用下跨中截面的橫向分布系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1，從表中可見，用剛接法計(jì)算橫向分布系數(shù)與梁格法計(jì)算的橫向分布系數(shù)絕對(duì)差值在0.01以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果比較吻合。在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橫向連接部分伴隨病害的發(fā)展以及材料性能的退化，橫向彎矩傳遞能力降低，下文將通過(guò)荷載試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)其橫向彎矩的傳遞有效值進(jìn)行研究。

表1 荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比結(jié)果表

靜載試驗(yàn)加載根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[4]的相關(guān)要求進(jìn)行，加載采用6輛35 t三軸汽車，加載車布置如圖5～6所示。加載效率控制在0.95～1.05之間，加載效率計(jì)算結(jié)果見表2，從計(jì)算結(jié)果可以看出，梁格法和單梁計(jì)算結(jié)果基本一致，單梁法計(jì)算結(jié)果略低于梁格法。

表2 靜載試驗(yàn)加載效率表

圖5 靜載試驗(yàn)加載車輛布置示意圖(單位：cm)

圖6 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

2.2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

在加載車輛的作用下，該橋跨中截面測(cè)試結(jié)果見表3、表4。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度值和應(yīng)變值，按照每片梁撓度(應(yīng)變)與所有梁撓度(應(yīng)變)總和的比值繪制實(shí)測(cè)結(jié)果的橫向分配系數(shù)曲線，與理論橫向分配曲線進(jìn)行比較，見圖7～8，由圖可知本橋?qū)崪y(cè)橫向分配與理論計(jì)算基本相符，但從橫向分配曲線可知，實(shí)測(cè)橫向彎矩的有效值傳遞水平低于理論橫向彎矩的傳遞。

表3 撓度測(cè)試結(jié)果分析表

圖7 測(cè)試跨滿載撓度橫向分配系數(shù)圖

測(cè)試截面數(shù)據(jù)類型2#跨測(cè)試截面B(正載)1#2#3#4#5#6#撓度應(yīng)變彈性值(με)404345464440應(yīng)變理論計(jì)算值(με)747576767474校驗(yàn)系數(shù)0.5390.5730.5930.6060.5910.541

圖8 測(cè)試跨滿載應(yīng)變橫向分配系數(shù)圖

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于梁格法在T型預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋中的運(yùn)用，得出如下結(jié)論：

(1)根據(jù)實(shí)際案例分析結(jié)果得出，梁格法能夠較好地模擬空間結(jié)構(gòu)的受力狀況，不需要通過(guò)傳統(tǒng)手段計(jì)算橋梁的橫向分布系數(shù)以及偏載系數(shù)，計(jì)算簡(jiǎn)單明確，數(shù)據(jù)精度滿足T型連續(xù)梁橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)的要求。

(2)與單梁模型理論計(jì)算結(jié)果基本一致，彎矩計(jì)算結(jié)果略高于單梁法，彎矩的計(jì)算過(guò)程較單梁法具有較高的簡(jiǎn)便性。

(3)根據(jù)實(shí)測(cè)橫向分配系數(shù)與理論橫向分配系數(shù)對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的實(shí)際橫向分配系數(shù)低于理論的橫向分配系數(shù)，而梁格法可以通過(guò)調(diào)整橫向連接的剛度系數(shù)調(diào)整橫向彎矩的橫向傳遞效率，更加準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況，具有更高的適用性。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2016.

[2]戴公連.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]李國(guó)豪.公路橋梁荷載橫向分布計(jì)算[M].北京：人民交通出版社，1984.

[4]JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程[S].