預制T梁斜轉正上部結構設計及受力分析

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，上部結構采用預制T梁斜轉正，通過調整梁長控制橋梁上部結構的角度變化。本文介紹了該處節(jié)點上部結構的設計情況，采用梁格法建立有限元模型，對受力進行分析和驗算，結合分析結果和后續(xù)實際施工中遇到的問題對斜轉正T梁設計方法進行探討。

關鍵詞：預制T梁；斜轉正；梁格法

中圖分類號：U 44" 文獻標志碼：A

隨著當今社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，公路建設規(guī)模逐漸變大，尤其是在路網(wǎng)發(fā)達的平原地區(qū)，高速公路與地方道路的交叉愈加頻繁。高速公路路線指標較高，路線跨越地方道路時普遍存在斜交關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，因此橋梁采用斜轉正上部結構可有效解決各類局限性問題，其中，預制結構的斜轉正橋梁具有技術成熟、施工周期短、對橋下交通影響小等優(yōu)勢，在公路橋梁領域中應用廣泛[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)預制T梁（先簡支后連續(xù)），將跨徑布置為30m+2×40m，半幅橋寬12.5m，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號橋墩與橋梁設計線法向交角為15°，1號墩與設計線正交，因此第一跨30m跨徑T梁需要通過調整梁長的方式實現(xiàn)交角變化，各片T梁構造參數(shù)及結構混凝土數(shù)量見表1，按照設計中心線由內到外設置梁編號1～6。

本文以該聯(lián)橋梁為例，計算上部結構為先簡支后連續(xù)預制T梁的斜轉正橋梁的內力分布情況，并根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[2]對承載能力極限狀態(tài)的結構抗力和正常使用極限狀態(tài)各項應力進行驗算，并結合實際施工過程提出該類橋梁在設計過程中需要注意的事項。

2 計算參數(shù)

結構自重：各構件重力荷載按照砼容重26kN/m3計算。

二期恒載：鋪裝20cm，按照容重25kN/m3計算，單側SS級墻式護欄按照每延米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。

設計安全等級：一級。

3 有限元模型

梁格法將實際橋梁結構等效為由縱梁和橫梁組成的梁格單元，將上部結構的縱向剛度集中到縱梁內，抗彎、抗扭剛度集中到最鄰近的梁格內，橫向剛度則集中到橫梁內，使等效梁格模型與實際結構具有相近的彎矩、剪力、扭矩以及應力結果[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構計算精度的要求。

計算程序采用Midas Civil空間有限元分析軟件，結構設計驗算程序采用Civil Designer軟件，針對斜轉正上部結構特點，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 結構計算

4.1 承載能力極限狀態(tài)計算

4.1.1 抗彎承載力驗算

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

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

4.1.2 抗剪承載力驗算

在荷載基本組合下，計算各主梁截面實際最大及最小剪力值，并根據(jù)規(guī)范計算各主梁截面結構最大及最小剪力抗力值，將其繪制在抗剪驗算包絡圖中，如圖3所示。

設計時充分考慮了各主梁的內力分布差異，本文對T梁梁底縱向主筋與墩頂位置梁頂縱向主筋進行加強，并同時對腹板箍筋進行適當加密，驗算結果表明在荷載基本組合下各截面的彎矩設計值與剪力設計值均小于結構抗力，并留有相應的安全富裕度。

4.2 支反力計算

在荷載標準組合下，得到各支座節(jié)點最大反力見表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為縱向主梁的扭矩分布，縱向主梁扭矩產(chǎn)生原因：理論跨徑不同導致豎向彎曲不同、邊梁形心與支點位置平面不重合、護欄偏心荷載等[1]。

4.3 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算

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

4.4 持久狀況應力驗算

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

4.5 短暫狀況應力驗算

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

5 現(xiàn)場施工反饋

在實際施工過程中，預制斜轉正T梁安裝便捷，架設速度快，使橋下交通能夠較快恢復，得到建設單位、施工單位、地方交通等一致好評。

在主梁預制過程中，施工單位準備立模澆筑時發(fā)現(xiàn)各梁長不同，斜交墩頂位置端橫梁的預制部分構造較為復雜，模板種類過多且無法重復利用，造成施工進度緩慢和材料浪費，因此，在保障結構安全的前提下，現(xiàn)場采用梁肋預制+橫梁現(xiàn)澆的模式對上部結構進行動態(tài)設計調整，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預制并伸出預埋鋼筋，而在濕接縫范圍的橫梁全部采用現(xiàn)澆，通過預埋鋼筋與預制梁將其永久連接，保障結構整體的安全性。

6 預制T梁斜轉正設計探討

預制T梁斜轉正上部結構受力特征與正交橋梁有較大不同，針對該類橋梁上部結構設計提出以下幾點設計經(jīng)驗。1）預制結構采用梁格法可以較好地模擬結構實際受力情況，但建模時要合理確定橫向聯(lián)系梁的尺寸。2）結構內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、預應力張拉、混凝土收縮徐變等產(chǎn)生的次內力。3）T梁截面為開放式截面，扭矩會對結構產(chǎn)生較大的不利影響，且當構件共同承受剪扭作用時，抗剪性能會降低[2]，設計時應適當加密箍筋間距并加強腹板鋼筋。4）斜轉正各跨理論跨徑不同，配束時應根據(jù)不同主梁正彎矩分布情況合理設置，且應注意區(qū)別各主梁墩頂負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果，通常以最不利節(jié)點位置為準。6）設計時應充分考慮施工條件，在保障安全的前提下可以適當對細部構造進行優(yōu)化。

7 結語

本文根據(jù)工程實際，對斜轉正預制T梁上部結構進行計算分析，闡述其受力特征并分析原因，并結合施工期出現(xiàn)的具體問題，分享經(jīng)驗，為后續(xù)同類型橋梁設計和分析提供參考。

參考文獻

[1]李健，王彬鵬. 預制斜轉正橋梁受力特征與設計分析[J]. 智能城市，2020（8）：27-28.

[2]中華人民共和國交通運輸部.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(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輸部.公路橋涵設計通用規(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. 橋梁結構空間分析設計方法與應用[M]. 北京：人民交通出版社， 2001.