預(yù)制T梁斜轉(zhuǎn)正上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析

摘 要：某高速特大橋跨越地方道路交叉角度小，在保證功能滿足要求的前提下，為減少橋梁跨徑情況，降低縱面控制高程，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制T梁斜轉(zhuǎn)正，通過調(diào)整梁長控制橋梁上部結(jié)構(gòu)的角度變化。本文介紹了該處節(jié)點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況，采用梁格法建立有限元模型，對受力進(jìn)行分析和驗(yàn)算，結(jié)合分析結(jié)果和后續(xù)實(shí)際施工中遇到的問題對斜轉(zhuǎn)正T梁設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：預(yù)制T梁；斜轉(zhuǎn)正；梁格法

中圖分類號：U 44" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，公路建設(shè)規(guī)模逐漸變大，尤其是在路網(wǎng)發(fā)達(dá)的平原地區(qū)，高速公路與地方道路的交叉愈加頻繁。高速公路路線指標(biāo)較高，路線跨越地方道路時普遍存在斜交關(guān)系且橋梁長度亦較長，整橋全部采用斜交缺乏施工可行性，而采用正交加大跨徑的方式會使工程造價大幅提高，因此橋梁采用斜轉(zhuǎn)正上部結(jié)構(gòu)可有效解決各類局限性問題，其中，預(yù)制結(jié)構(gòu)的斜轉(zhuǎn)正橋梁具有技術(shù)成熟、施工周期短、對橋下交通影響小等優(yōu)勢，在公路橋梁領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1]。

1 工程概況

本文研究對象為某高速特大橋跨越地方規(guī)劃道路的一聯(lián)預(yù)制T梁（先簡支后連續(xù)），將跨徑布置為30m+2×40m，半幅橋?qū)?2.5m，單幅橋梁橫向布置6片梁，邊梁懸臂1m，中梁懸臂0.85m，濕接縫寬度0.4m，梁高2.5m。

該聯(lián)2號、3號、4號橋墩與橋梁設(shè)計(jì)線法向交角為15°，1號墩與設(shè)計(jì)線正交，因此第一跨30m跨徑T梁需要通過調(diào)整梁長的方式實(shí)現(xiàn)交角變化，各片T梁構(gòu)造參數(shù)及結(jié)構(gòu)混凝土數(shù)量見表1，按照設(shè)計(jì)中心線由內(nèi)到外設(shè)置梁編號1～6。

本文以該聯(lián)橋梁為例，計(jì)算上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)預(yù)制T梁的斜轉(zhuǎn)正橋梁的內(nèi)力分布情況，并根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[2]對承載能力極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)抗力和正常使用極限狀態(tài)各項(xiàng)應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，并結(jié)合實(shí)際施工過程提出該類橋梁在設(shè)計(jì)過程中需要注意的事項(xiàng)。

2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)自重：各構(gòu)件重力荷載按照砼容重26kN/m3計(jì)算。

二期恒載：鋪裝20cm，按照容重25kN/m3計(jì)算，單側(cè)SS級墻式護(hù)欄按照每延米12.35kN加載。

汽車荷載：公路-Ⅰ級，按最不利情況滿布單向三車道加載，考慮橫向折減及縱向折減，沖擊系數(shù)按照規(guī)范[3]第4.3.2條計(jì)算。

整體溫度：升溫20℃，降溫20℃。

梯度溫度：14℃，5.5℃，-7℃，-2.75℃。

支座沉降：5mm。

設(shè)計(jì)安全等級：一級。

3 有限元模型

梁格法將實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)等效為由縱梁和橫梁組成的梁格單元，將上部結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中到縱梁內(nèi)，抗彎、抗扭剛度集中到最鄰近的梁格內(nèi)，橫向剛度則集中到橫梁內(nèi)，使等效梁格模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)具有相近的彎矩、剪力、扭矩以及應(yīng)力結(jié)果[4]。在劃分單元精度足夠高以及邊界條件模擬合理的情況下，采用梁格法可以滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算精度的要求。

計(jì)算程序采用Midas Civil空間有限元分析軟件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算程序采用Civil Designer軟件，針對斜轉(zhuǎn)正上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，邊梁和中梁模擬為縱向梁單元，端橫梁、中橫梁、跨中橫隔板按照實(shí)際截面模擬為橫向梁單元，其余橫向聯(lián)系采用2.1m寬無容重的虛擬橫梁，各橫梁與縱梁間節(jié)點(diǎn)采用剛接。有限元模型主要縱梁和橫梁的布置如圖1所示。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

4.1.1 抗彎承載力驗(yàn)算

在荷載基本組合下，計(jì)算各主梁截面實(shí)際最大及最小彎矩值，并根據(jù)規(guī)范計(jì)算各主梁截面結(jié)構(gòu)最大及最小彎矩抗力值，將其共同繪制在抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖中，如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)為主梁順橋向各截面位置，縱坐標(biāo)為彎矩值，圖中4條線從上到下依次為結(jié)構(gòu)最小彎矩抗力值、實(shí)際最小彎矩值、實(shí)際最大彎矩值及結(jié)構(gòu)最大彎矩抗力值。

由圖2可知，該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力結(jié)果中與常規(guī)組合T梁截面基本一致，邊梁彎矩較中梁大。在此基礎(chǔ)上，可以發(fā)現(xiàn)隨著各T梁理論跨徑增加，主梁斜轉(zhuǎn)正第一跨跨中正彎矩基本呈增加趨勢，2號墩位置處負(fù)彎矩則呈減少趨勢。

4.1.2 抗剪承載力驗(yàn)算

在荷載基本組合下，計(jì)算各主梁截面實(shí)際最大及最小剪力值，并根據(jù)規(guī)范計(jì)算各主梁截面結(jié)構(gòu)最大及最小剪力抗力值，將其繪制在抗剪驗(yàn)算包絡(luò)圖中，如圖3所示。

設(shè)計(jì)時充分考慮了各主梁的內(nèi)力分布差異，本文對T梁梁底縱向主筋與墩頂位置梁頂縱向主筋進(jìn)行加強(qiáng)，并同時對腹板箍筋進(jìn)行適當(dāng)加密，驗(yàn)算結(jié)果表明在荷載基本組合下各截面的彎矩設(shè)計(jì)值與剪力設(shè)計(jì)值均小于結(jié)構(gòu)抗力，并留有相應(yīng)的安全富裕度。

4.2 支反力計(jì)算

在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下，得到各支座節(jié)點(diǎn)最大反力見表2。

在荷載作用下，邊梁反力比中梁大，橫向支反力基本隨著理論跨徑增加而增加。反力不均勻分布的原因?yàn)榭v向主梁的扭矩分布，縱向主梁扭矩產(chǎn)生原因：理論跨徑不同導(dǎo)致豎向彎曲不同、邊梁形心與支點(diǎn)位置平面不重合、護(hù)欄偏心荷載等[1]。

4.3 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

在荷載頻遇組合下，橋梁頂緣正截面最大拉應(yīng)力為-1.818MPa，底緣正截面最大拉應(yīng)力為-0.948MPa，主要出現(xiàn)在斜交的2號墩墩頂位置，容許最大拉應(yīng)力為0.7ftk=1.855MPa。斜截面最大主拉應(yīng)力為-1.126MPa，主要出現(xiàn)在墩頂位置和負(fù)彎矩鋼束錨固處，容許最大主拉應(yīng)力為0.7ftk=1.855MPa。在荷載準(zhǔn)永久組合下，橋梁頂緣與底緣正截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，其最小壓應(yīng)力亦出現(xiàn)在斜交墩頂位置。橋梁正截面抗裂與斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，但關(guān)鍵位置安全富裕度不高，因此設(shè)計(jì)時應(yīng)注重中支點(diǎn)位置及負(fù)彎矩鋼束錨固處的應(yīng)力控制。

4.4 持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算

在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下，橋梁頂緣正截面最大壓應(yīng)力為12.893MPa，底緣正截面最大壓應(yīng)力為13.407MPa，容許最大壓應(yīng)力0.5fck=16.200MPa。斜截面最大主壓應(yīng)力為13.272MPa，容許最大主壓應(yīng)力0.6fck=19.440MPa。橋梁持久狀況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，且安全富裕度較高。

4.5 短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算

在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下，橋梁在各施工階段的頂緣正截面最大壓應(yīng)力為8.620MPa，底緣正截面最大壓應(yīng)力為14.941MPa，容許最大壓應(yīng)力為0.7f' ck=18.760MPa。橋梁短暫狀況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，且安全富裕度亦較高。

5 現(xiàn)場施工反饋

在實(shí)際施工過程中，預(yù)制斜轉(zhuǎn)正T梁安裝便捷，架設(shè)速度快，使橋下交通能夠較快恢復(fù)，得到建設(shè)單位、施工單位、地方交通等一致好評。

在主梁預(yù)制過程中，施工單位準(zhǔn)備立模澆筑時發(fā)現(xiàn)各梁長不同，斜交墩頂位置端橫梁的預(yù)制部分構(gòu)造較為復(fù)雜，模板種類過多且無法重復(fù)利用，造成施工進(jìn)度緩慢和材料浪費(fèi)，因此，在保障結(jié)構(gòu)安全的前提下，現(xiàn)場采用梁肋預(yù)制+橫梁現(xiàn)澆的模式對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整，并取得了良好的效果。具體做法為橫梁在梁肋與翼緣板范圍內(nèi)預(yù)制并伸出預(yù)埋鋼筋，而在濕接縫范圍的橫梁全部采用現(xiàn)澆，通過預(yù)埋鋼筋與預(yù)制梁將其永久連接，保障結(jié)構(gòu)整體的安全性。

6 預(yù)制T梁斜轉(zhuǎn)正設(shè)計(jì)探討

預(yù)制T梁斜轉(zhuǎn)正上部結(jié)構(gòu)受力特征與正交橋梁有較大不同，針對該類橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。1）預(yù)制結(jié)構(gòu)采用梁格法可以較好地模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，但建模時要合理確定橫向聯(lián)系梁的尺寸。2）結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布很大程度上受到邊界條件的約束作用影響，合理選用支座形式，有利于釋放位移，減少因溫度作用、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土收縮徐變等產(chǎn)生的次內(nèi)力。3）T梁截面為開放式截面，扭矩會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的不利影響，且當(dāng)構(gòu)件共同承受剪扭作用時，抗剪性能會降低[2]，設(shè)計(jì)時應(yīng)適當(dāng)加密箍筋間距并加強(qiáng)腹板鋼筋。4）斜轉(zhuǎn)正各跨理論跨徑不同，配束時應(yīng)根據(jù)不同主梁正彎矩分布情況合理設(shè)置，且應(yīng)注意區(qū)別各主梁墩頂負(fù)彎矩位置鋼束的布置。5）相同墩頂位置支反力分布不均勻，支座選型需要綜合考慮不同的支反力結(jié)果，通常以最不利節(jié)點(diǎn)位置為準(zhǔn)。6）設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮施工條件，在保障安全的前提下可以適當(dāng)對細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化。

7 結(jié)語

本文根據(jù)工程實(shí)際，對斜轉(zhuǎn)正預(yù)制T梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，闡述其受力特征并分析原因，并結(jié)合施工期出現(xiàn)的具體問題，分享經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)同類型橋梁設(shè)計(jì)和分析提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]李健，王彬鵬. 預(yù)制斜轉(zhuǎn)正橋梁受力特征與設(shè)計(jì)分析[J]. 智能城市，2020（8）：27-28.

[2]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.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 3362—2018 [S].北京：人民交通出版社，2018：21-67.

[3]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60—2015 [S].北京：人民交通出版社，2015：28-29.

[4]戴公連，李德建. 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.