李　彪， 郭　攀

(1.湖南省永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 吉首　416000；　2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州　450001)

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大縱坡預(yù)制T梁墩梁連接方法靜力性能數(shù)值分析

李彪1， 郭攀2

(1.湖南省永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 吉首416000；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州450001)

[摘要]大縱坡是山區(qū)高速公路預(yù)制裝配T梁橋的常見現(xiàn)象，其導(dǎo)致在低標(biāo)高處的伸縮縫破壞嚴(yán)重，而改變墩梁的連接方式能解決該問題。運(yùn)用有限元分析方法，研究了不同墩梁連接方式時的靜力性能，并與常規(guī)方法進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，在大縱坡情況下，采用墩梁固結(jié)形式可有效的解決上述問題。一聯(lián)中墩梁固結(jié)一個橋墩，是較好的處理方式。

[關(guān)鍵詞]T梁橋； 大縱坡； 墩梁固結(jié)； 墩梁簡支； 靜力性能； 有限元

1概述

在山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計中，中小跨徑的橋梁多采用標(biāo)準(zhǔn)化、裝配式的預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)[1-6]。但因山區(qū)高速路線起伏明顯，經(jīng)常出現(xiàn)大縱坡橋梁。橋梁縱坡>2.5%時，稱之為大縱坡橋梁。大縱坡橋梁在標(biāo)高較低位置的伸縮縫極易發(fā)生破壞[7-13]，同時支座極易發(fā)生剪切破壞[14-18]。必須對此進(jìn)行大縱坡橋梁墩梁連接方式深入系統(tǒng)的研究，以為山區(qū)橋梁設(shè)計提供指導(dǎo)。

有關(guān)大縱坡橋梁墩梁連接方式，一些學(xué)者做了一系列有意義的研究。謝亞寧等[19]對T 梁連續(xù)剛構(gòu)通用圖做了的分析；倪全等[20]對6孔一聯(lián)的25 mT梁，選取3種不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析；黃萍[21]對一座7孔30 mT梁墩梁固結(jié)處的受力進(jìn)行了局部有限元分析；霍學(xué)晉等[22]對長聯(lián)大跨度鐵路橋在不同墩梁連接方式下地震反應(yīng)特性做了對比分析。

然而，已有的工作重點(diǎn)研究著重于T梁連續(xù)剛構(gòu)橋的分析以及對該橋型的局部分析，對多聯(lián)T梁橋不同的連接方法的靜力分析鮮有報道。本文利用有限元分析4孔一聯(lián)40 mT梁在不同墩梁連接方法條件下，分析橋墩的受力及位移變化規(guī)律，進(jìn)而對該類橋梁的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

2工程概況、有限元建模及計算工況

2.1工程概況

某高速公路大橋其中一聯(lián)4×40 mT梁，橋?qū)?2 m，橋面縱坡4%，設(shè)計荷載等級為公路I級。結(jié)構(gòu)橫向共由5片T梁組成，T梁采用C50砼，間距2.4 m，梁高2.5 m，先簡支后連續(xù)，(從左至右，橋墩依次編號為1號、2號、3號、4號、5號)。下部立柱高度40 m，采用C40砼，2.0 m+2.2 m兩種直徑形式。嵌巖基樁采用C30砼，2.5 m直徑。橋型布置立面如圖1所示。支座采用球形支座，常規(guī)支座布置形式如圖2所示。

圖1　某高速公路大橋40 mT梁橋型立面圖Figure 1　40 mT beam bridge elevation of a certain expressway

圖2　某高速公路大橋支座布置圖Figure 2　The bearing arrangement diagram of a certain 　　　expressway bridge

2.2有限元建模

有限元模型采用通用大型有限元程序MIDAS CIVIL建模，T梁、蓋梁、立柱等結(jié)構(gòu)均根據(jù)實際尺寸模擬，模型采用梁單元，共剖分為873個單元，705個節(jié)點(diǎn)。約束條件根據(jù)所采用連接方式進(jìn)行等剛度模擬。并按施工順序及荷載狀況進(jìn)行模擬計算。橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析模型見圖3。根據(jù)分析模型上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，T梁受力及變形均滿足設(shè)計圖紙的要求，從而驗證了本文采用的分析模型是正確的。

圖3　橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型Figure 3　The finite element model updating of bridge structure

本文計算假定為： ①不考慮T梁橫隔板作用。 ②不考慮橋面橫坡影響。 ③基樁為嵌巖樁，不考慮樁土作用。

2.3計算工況

墩梁連接方式分以下5種工況進(jìn)行分析：

工況1： 墩梁不固結(jié)，采用球形支座連接；

工況2： 固結(jié)3號橋墩，即固結(jié)中墩，其余橋墩支座約束條件不變；

工況3： 固結(jié)2號、3號兩個橋墩，即連續(xù)固結(jié)兩個中墩，其余橋墩支座約束條件不變；

工況4： 固結(jié)2號、4號兩個橋墩，即間隔固結(jié)兩個中墩；

工況5： 固結(jié)2號、3號、4號三個橋墩，即固結(jié)全部中墩。

3計算結(jié)果與分析

3.1剛度分析

橋墩在施工過程及運(yùn)營過程中均會產(chǎn)生位移，在高墩、大縱坡橋梁中墩頂縱向位移尤為突出。若位移量過大，對施工的安全性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及行車的舒適性均有較大的影響。圖4給出5種工況下橋墩墩頂?shù)目v向位移變化趨勢圖。

圖4　墩頂位移曲線圖Figure 4　The displacement curve charts of pier crown

工況1時全橋墩頂?shù)目v向結(jié)構(gòu)位移量最大，墩頂位移最大值出現(xiàn)在2號墩，最大值達(dá)到12.24 cm；工況2時各個橋墩墩頂縱向位移均明顯減小。墩頂縱向位移量隨著坡度方向成遞減趨勢；工況3時全橋墩頂?shù)目v向結(jié)構(gòu)位移量最小；工況4和工況5時墩頂?shù)目v向位移基本一致，但比工況3的墩頂縱向位移量大。由墩頂縱向位移分析可知，工況3，即連續(xù)固結(jié)兩個中墩時全橋墩頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)位移量最小。

3.2強(qiáng)度分析

3.2.1墩頂彎矩

墩梁連接方式不同，橋墩受力方式也隨之變化。墩頂設(shè)置支座的橋墩，墩頂彎矩較小，而墩梁固結(jié)的橋墩墩頂不僅承受上部結(jié)構(gòu)傳遞來的軸力、剪力，還承受較大彎矩作用。圖5給出5種工況下橋墩墩頂?shù)膹澗刈兓厔輬D。

圖5　墩頂彎矩曲線圖Figure 5　The moment curve charts of pier crown

工況1時全橋墩頂?shù)膹澗刂底钚。枕攺澗刂惦S著坡度方向成遞減趨勢；工況2時固結(jié)墩的墩頂彎矩值明顯增大，相鄰橋墩墩頂彎矩值明顯減?。还r3時兩個固結(jié)墩的墩頂彎矩值明顯增大，上坡處固結(jié)墩的墩頂彎矩值是下坡處固結(jié)墩的2.1倍，且相鄰橋墩墩頂彎矩值明顯減?。还r4和工況5時墩頂?shù)膹澗刂祷疽恢隆?/p>

3.2.2墩底彎矩

墩底彎矩是在結(jié)構(gòu)配筋時重要的設(shè)計指標(biāo)。圖6給出5種工況下橋墩墩底的彎矩變化趨勢圖。

圖6　墩底彎矩曲線圖Figure 6　The moment curve charts of pier bottom

工況1時全橋墩底的彎矩值最大，墩底彎矩值隨著坡度方向成遞減趨勢；工況2時固結(jié)墩的墩底彎矩值明顯增大，相鄰橋墩墩底彎矩值明顯減小；工況3時兩個固結(jié)墩的墩底彎矩值明顯增大，相鄰橋墩墩頂彎矩值明顯減小。上坡處固結(jié)墩的墩頂彎矩值比下坡處固結(jié)墩的增大31.5%，比工況2的固結(jié)墩增大7.8%；工況4和工況5時墩頂?shù)膹澗刂祷疽恢?。由墩底彎矩分析可知：工況3，即連續(xù)固結(jié)2個中墩時的墩底彎矩值最大，相應(yīng)配筋量也最大。

3.3穩(wěn)定性分析

T梁橋墩是典型的壓彎構(gòu)件，其穩(wěn)定性問題屬于典型的極值點(diǎn)失穩(wěn)，即結(jié)構(gòu)在初始平衡狀態(tài)下，隨著荷載的增加，在應(yīng)力比較大的區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，結(jié)構(gòu)的變形隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。由于現(xiàn)有公路橋梁規(guī)范中并沒有對成橋穩(wěn)定性特征值做相關(guān)規(guī)定，因此參照規(guī)范中對拱橋和斜拉橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全度為4的規(guī)定[23]，做為本文穩(wěn)定安全度的限值。表1給出5種工況下結(jié)構(gòu)成橋階段一階模態(tài)對應(yīng)的最小穩(wěn)定特征值。

表1 各工況穩(wěn)定特征值Table1 Theeigenvalueofstabilityofeachworkingstate工況穩(wěn)定特征值一階失穩(wěn)模態(tài)15.429縱橋向面內(nèi)失穩(wěn)29.901縱橋向面內(nèi)失穩(wěn)39.917縱橋向面內(nèi)失穩(wěn)46.010縱橋向面內(nèi)失穩(wěn)510.046縱橋向面內(nèi)失穩(wěn)

工況1的穩(wěn)定特征值為5.429，是5個工況下最不利的工況；工況四的穩(wěn)定特征值6.010，較工況1略大；工況2、工況3與工況5的穩(wěn)定性相近，特征值均大于9，工況5的特征值稍大。由穩(wěn)定性分析可知，工況1～工況5的最小穩(wěn)定特征值均大于4，均滿足穩(wěn)定性要求。但各工況穩(wěn)定特征值有較大區(qū)別，工況1與工況4的穩(wěn)定安全度均偏小，不建議采用，工況2、工況3與工況5的穩(wěn)定安全度區(qū)別不大，結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。

4結(jié)論

① 墩梁固結(jié)后，T梁的縱向位移明顯減小，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全度明顯提高。

② 一聯(lián)中固結(jié)3個橋墩對改善結(jié)構(gòu)位移內(nèi)力的效果不明顯，不建議采用固結(jié)≥3個橋墩。

③ 一聯(lián)中間隔固結(jié)2個橋墩比連續(xù)固結(jié)2個橋墩的位移、內(nèi)力均明顯增大，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全度偏

低，不建議間隔固結(jié)橋墩。

④ 固結(jié)1個橋墩，連續(xù)固結(jié)2個或3個橋墩時對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全度影響不大。

⑤ 一聯(lián)連續(xù)固結(jié)2個橋墩的位移比固結(jié)1個橋墩明顯減小，但內(nèi)力明顯增大，配筋量也隨之增大。

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Analysis of the Consolidation on the Pier in the Precast T Beam

LI Biao1， GUO Pan2

(1.Hunan Yongji Highway Construction and Development Co.， Ltd.， Jishou， Hunan 416000， China；2.School of civil Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001， China)

[Abstract]The slope bridges are often appeared in the standard and prefabricated T beam structure design of mountainous highway.As a result.the expansion joints，in the elevation of the lower position，are offten squeezed out.But the problem can be solved by changing the connecting mode of the pier beam.In this paper，the static performance are analyzed by using the finite element method.when the connecting mode of the pier beam are changed.Also，compared with those of common practice means.The results show that the above problem can be solved effectively by using the pier beam consolidation in the case of large longitudinal slope.

[Key words]t beam bridge； large longitudinal slope； pier beam consolidation； simple supported beam； static performance； finite element

[中圖分類號]U 448.23+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0205—03

[作者簡介]李彪(1971—)，男，湖南長沙人，工程師，主要從事公路工程建設(shè)管理工作。

[收稿日期]2016—01—15