基于斜交角的多片梁式斜交橋力學性能分析

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(中鐵十七局集團 第五工程有限公司，山西 太原 030032)

引言

隨著社會的不斷發(fā)展中，一些現(xiàn)有道路越來越不能滿足人們日益增長的交通需求。為解決人們的出行需要，需要在現(xiàn)有道路基礎上新建或者改擴建公路項目以疏解交通。但在橋梁設計中，由于周圍環(huán)境條件的限制，同時為了滿足線形需要，有時不得已需設計成斜交等復雜形式的橋梁結構。裝配式預應力混凝土T梁橋受力明確且構造簡單，是中小型橋梁設計時所采用的重要形式之一，而一旦將正交的T梁橋變成斜交的T梁橋，其受力性能將明顯不同于直線橋，由于斜交角的存在，受力就會發(fā)生較大變化，造成各腹板受力不一致，同時引起支座反力的變化等。

對比已有的斜交T梁橋和正交T梁橋的病害情況，它們之間存在的典型病害情況有較大不同，究其原因，主要是由于它們受力不一致造成的。本文以山西平榆高速公路上不同斜交角度T梁橋為研究背景，采用有限元法分析斜交角度對預應力混凝土T梁橋力學性能的影響，以期為混凝土T梁橋工程設計及維修加固提供參考。

1 工程概況

山西某高速公路橋梁為裝配式預應力混凝土T梁橋，施工圖紙采用部頒通用圖。選取30 m簡支T梁為研究對象，橋面寬13.5 m，由6片梁組成，梁高2 m。預制主梁及橫隔梁、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，設計荷載為公路一級。

主要采用的參數(shù)：計算跨徑L=28.9 m；彈性模量E=3.45×104MPa；支中截面慣矩IC=0.574 m4；跨中截面面積AC=1.004 m2；跨中截面慣矩IC=0.461 m4；支點截面面積AC=1.430 m2。

2 計算模型

分別建立斜交角為0°、15°、30°及45°的四種模型，以分析斜交角度變化對斜梁橋受力性能的影響。四種模型中均設置了5道橫隔板，支座采用彈性支承，簡化為簡支體系，且考慮橋面板的作用，考慮活載的效應，橋面偏載設置3個車道的汽車荷載。邊梁考慮混凝土欄桿的質量，考慮橋面鋪裝的二期恒載。采用承載能力極限狀態(tài)計算公式，自重工況(1.200)+橋面鋪裝(1.200)+預應力(1.200)+欄桿(1.200)+汽車(1.400)。

3 實體模型計算分析

為了分析不同斜交角度對斜交橋主梁受力性能的影響，本文通過分析支座反力、斜交橋最大撓度、彎矩、剪力等力學性能斜交角度變化的規(guī)律。

3.1 斜交T梁支座反力分析

支座反力隨斜交角度變化規(guī)律見圖1和表1。

圖1 支座反力隨斜交角度的變化規(guī)律

支座編號支座反力/kN斜交0°斜交15°斜交30°斜交45°1799.3806.3819.8838.92729.4728.1717.1699.131 102.71 109.81 102.31 087.341 109.51 134.21 146.01 159.25847.2848.2861.5873.161 165.11 156.81 138.71 123.671 171.31 190.91 210.11 234.88839.8837.4833.9846.991 127.91 112.21 094.4904.5101 122.21 128.01 132.31 123.011737.1744.8751.0754.212795.1783.8775.2766.3

由圖1可知，斜T梁支座反力的變化規(guī)律基本類似，0°(即正交橋)斜交角時，支座反力變化規(guī)律與15°、30°、45°時的支座反力變化規(guī)律大致相同，即斜交角度的變化對支座反力變化趨勢的影響較小，但對于支座反力的具體數(shù)值有明顯影響。

為了研究斜交角變化時支座反力的具體變化情況，本文在順車道方向選取兩片邊梁的支座反力進行研究，如圖2所示。

圖2 1號和6號支座的支座反力隨斜交角度的變化

由圖2可知，在順車道方向，鈍角區(qū)支座6的支座反力明顯大于銳角區(qū)支座1的支座反力，二者數(shù)值差距達50%。另外，銳角區(qū)支座1的支座反力隨著斜交角度的增加而逐漸增大，斜交角從0°增加到45°時，支座反力增加4.95%；鈍角區(qū)支座6的支座反力隨著斜交角度的增加反而逐漸減小，斜交角從0°增加到45°時，支座反力減少3.69%。

3.2 斜交角度對最大彎矩的影響

為了研究斜交角度對彎矩的影響，本文選取斜交橋具有代表性的最大彎矩值進行分析，如圖3所示。

圖3 斜交角度對最大彎矩的影響

由圖3可知，斜交橋斜交角度的變化對橋梁的最大彎矩數(shù)值有影響。從整體上觀察，隨著斜交角度的增加，最大彎矩值呈逐漸增大的趨勢，但增長趨勢趨向于逐漸變緩，其中0°到15°增長率為0.9%，15°到30°增長率為0.4%。因此，斜交角度的變化會對斜交橋的最大彎矩值產生影響，隨著斜交角度的增加，最大彎矩值逐漸增大，但是增長率的變化整體較低，對橋梁的最大彎矩影響并不明顯。

3.3 跨中撓度隨斜交角的變化規(guī)律

在模型建立過程中，按照實橋的參數(shù)布置預應力鋼束，施加荷載以后，橋梁產生上拱度，通過提取結構中的最大撓度值(見表2)，發(fā)現(xiàn)隨著斜交角度的變化，在排除偶然因素影響的情況下，結構的最大撓度值基本保持不變，因此，斜交角度的變化基本不影響結構的撓度。

表2 最大撓度隨斜交角度變化情況

3.4 斜交角對支點剪力的影響

斜交角度的變化，會引起結構支座反力的變化，對結構支點處的剪力也有一定的影響。單從提取的最大剪力數(shù)值來看，隨著斜交角度的變化，結構的最大剪力數(shù)值基本沒有變化，但最大剪力出現(xiàn)的位置逐漸向鈍角一側偏移(見圖4)，銳角處剪力數(shù)值逐漸減小。

圖4 斜交角度對最大剪力的影響

4 結論

通過本文的計算分析，可得出以下結論：

4.1 在荷載作用下，支撐邊支座反力分布不均勻，鈍角側增大，銳角側減小，順車道方向邊梁鈍角側的約束反力同樣分布不均勻。

4.2 在鈍角處出現(xiàn)較大的剪力，最大剪力和最大彎矩向鈍角方向靠攏。

4.3 斜交角度的變化對結構的撓度影響較小，可忽略不計。

4.4 斜交T梁橋中，鈍角處支承反力較大，宜采用剛度較大的支座，以增強結構耐久性。同時，需考慮在鈍角區(qū)上部結構中加密鋼筋，以承受荷載。