賈艷敏 唐 亮 劉金亮 劉云浩

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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T梁橋鋼筋混凝土橋面板受力分析★

賈艷敏 唐 亮 劉金亮 劉云浩

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以內(nèi)蒙古寶貝河大橋靜載試驗(yàn)為依托，使用Midas FEA建立了有限元模型，基于該模型對橋面板厚度及主梁間距兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，得到了不同橋面板厚度及主梁間距對橋面板應(yīng)力與撓度的影響，指出橋面板厚度變化對橋面板底緣混凝土拉應(yīng)力、鋪裝層頂緣混凝土拉應(yīng)力影響最大；主梁間距變化對橋面板應(yīng)力及撓度影響較為明顯。

T梁橋，橋面板厚度，主梁間距，有限元模型

0 引言

橋面板作為T梁橋上部承重結(jié)構(gòu)，直接與車輪荷載接觸，在日益增多的交通量及超負(fù)荷運(yùn)營等情況下，現(xiàn)役橋梁中橋面板病害出現(xiàn)的愈加嚴(yán)重。國內(nèi)一些學(xué)者針對鋼筋混凝土梁橋做出了諸多研究。趙衛(wèi)國[1]對河北省鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁橋進(jìn)行了損傷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)三、四類橋梁中90%病害的位置在梁、板、少筋微彎板及T梁橋橋面板上。王春生等[2-7]對影響鋼筋混凝土橋面板耐久性方面做出研究。朱勁松[7]對橋面板的疲勞損傷進(jìn)行模擬并提出數(shù)值分析方法。然而在以往研究中對荷載作用下橋面板本身構(gòu)造對橋面板的受力影響研究較少，并且在多數(shù)設(shè)計(jì)中，橋面板作為受力構(gòu)件只作為驗(yàn)算內(nèi)容，這就使橋面板在運(yùn)營過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理，內(nèi)力分布不均勻等諸多問題，從而加重了橋梁的損傷程度、縮短了橋梁的壽命。

本文針對不同橋面厚度、主梁間距這兩個(gè)影響橋面板受力的重要構(gòu)造參數(shù)展開分析。

1 有限元模型

1.1 實(shí)例介紹

本文以內(nèi)蒙古寶貝河大橋靜載試驗(yàn)為依托，模型橋跨徑40 m，橫向布置5片梁，橋面鋪裝采用80 mm現(xiàn)澆混凝土與50 mm瀝青混凝土，橋面板縱、橫向鋼筋直徑分別使用10 mm，12 mm，鋼筋間距均為100 mm。選擇規(guī)范550 kN重車橫橋向?qū)ΨQ布載。具體布置如圖1所示，測點(diǎn)布置如圖2所示(應(yīng)變計(jì)1，2，3均為橋面板縱橋向應(yīng)變計(jì))。

1.2 有限元模型驗(yàn)證

選擇寶貝河大橋橋面板厚度Y=160 mm，主梁間距X=2.47 m，利用Midas FEA采用實(shí)體單元及鋼筋單元建模，如圖3所示。通過有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值對比，驗(yàn)證有限元模型的正確性。對比結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)應(yīng)力值與有限元計(jì)算應(yīng)力值對比

由表1可以看出有限元模型計(jì)算得出的應(yīng)力值與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好，模型計(jì)算能夠反映該T梁橋橋面板的真實(shí)受力情況。

2 橋面板受力分析

由于本文采用橫橋向?qū)ΨQ布載，所以選擇半橋?qū)挒榉治鰧ο蟆?/p>

2.1 橋面鋪裝對橋面板受力影響

以寶貝河大橋?yàn)閷?shí)例，圖4給出考慮混凝土鋪裝參與受力及未考慮混凝土鋪裝參與受力對橋面板受力的影響情況。

圖4顯示橋面板底緣混凝土橫向最大拉應(yīng)力在未考慮橋面鋪裝參與受力情況下為3.138 MPa，超過C50混凝土抗拉極限標(biāo)準(zhǔn)值，底緣縱向開裂；在考慮橋面鋪裝參與受力情況下為1.734 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。上述兩種情況應(yīng)力相差44.74%，數(shù)值相差較大。說明混凝土鋪裝參與受力對橋面板受力有較大的影響。

2.2 不同橋面板厚度對橋面板受力影響

以橋面板厚度為變量，主梁間距為定值的有限元模型中，根據(jù)規(guī)范要求，選擇橋面板厚度Y=140 mm～240 mm，以20 mm遞增，根據(jù)實(shí)橋主梁間距X=2.47 m，討論不同橋面板厚度對橋面板的受力影響，見圖5～圖8。

通過圖5可以看出車輪荷載作用處橋面板局部受力現(xiàn)象明顯，應(yīng)力分布呈橢圓形，在前后輪中間區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力疊加現(xiàn)象。如圖6，圖7所示隨著橋面板厚度增加，橋面板底緣及鋪裝層頂緣混凝土拉應(yīng)力呈下降趨勢。橋面板底緣橫向拉應(yīng)力由2.0 MPa減小到1.077 MPa，減少了46.18%，鋪裝層頂緣混凝土最大拉應(yīng)力由1.44 MPa減小到0.71 MPa，減小了50.36%。橋面厚度為140 mm時(shí)，橋面板底緣混凝土拉應(yīng)力達(dá)到2.002 MPa，超過C50混凝土抗拉極限設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，不滿足設(shè)計(jì)要求，所以在主梁間距2.47 m時(shí)橋面板厚度應(yīng)大于140 mm。圖8顯示橋面板厚度越大，梁體整體撓度及橋面板撓度越小，其中梁體整體撓度由9.01 mm減小到6.49 mm，減少28%。

從上面趨勢分析來看：隨著橋面板厚度變大，橋面板底緣及鋪裝層頂緣混凝土拉應(yīng)力數(shù)值變大，但其響應(yīng)范圍大致相同。其次，橋面板厚度變大，橋面板撓度及主梁撓度均變小。

2.3 主梁間距不同對橋面板受力影響

分析主梁間距對橋面板受力影響時(shí)，建立以橋面板厚度Y=160 mm為定量，主梁間距X=1.8 m～2.6 m,按20 cm遞增的有限元模型，在主梁間距為變量的模型中，不考慮車道數(shù)的增減，即保持布載方式不變，僅考慮輪載作用下橋面板的橫向受力，分析主梁間距不同對橋面板受力的影響，見圖9～圖12。

由圖9可以看出主梁間距1.8 m時(shí)，兩輪均作用在板跨范圍橫向跨中位置，但由于各主梁的不均勻彈性變形導(dǎo)致兩車輪位置處應(yīng)力大小不同，橋面板在靠近外側(cè)車輪處應(yīng)力響應(yīng)較大。

如圖10，圖11所示，隨著主梁間距變大，混凝土拉應(yīng)力呈上升趨勢，橋面板底緣最大橫向拉應(yīng)力由1.03 MPa增加到1.89 MPa，增長了83.2%。而當(dāng)主梁間距為2.6 m時(shí)，橫向拉應(yīng)力達(dá)到1.89 MPa，超過C50混凝土抗拉極限設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，不滿足設(shè)計(jì)要求，所以在橋面板厚度為160 mm時(shí)，主梁間距應(yīng)小于2.6 m。鋪裝層頂緣最大橫向拉應(yīng)力由0.91 MPa增加到1.31 MPa，增長了44.9%。如圖12所示，主梁間距越大，梁體及橋面板撓度越大，主梁最大位移由4.48 mm增加到8.94 mm，增長了99.6%；橋面板位移由0.036 mm增加到0.147 mm，增長308%。

從上面的影響分析來看，主梁間距變化對橋面板底緣拉應(yīng)力及位移影響最大。

3 結(jié)語

本文通過有限元模擬分析，對不同橋面板厚度、不同主梁間距情況下橋面板進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)車輪荷載作用下橋面板的局部受力現(xiàn)象明顯，應(yīng)力分布呈橢圓形，并且考慮橋面鋪裝參與受力能夠更真實(shí)的反映橋面板的受力響應(yīng)。

2)在本文討論的范圍內(nèi)，由改變橋面板厚度和主梁間距帶來的自重變化對橋面板受力影響不大。

3)隨著橋面板變厚，橋面板底緣及鋪裝層頂緣混凝土拉應(yīng)力都有減小的趨勢，但荷載影響范圍基本相同。從數(shù)值分析中可以看出，橋面板厚度變化對梁肋位置鋪裝層頂緣混凝土拉應(yīng)力和橋面板底緣混凝土拉應(yīng)力影響最大。主梁間距的變化影響了橋梁整體的剛度，導(dǎo)致主梁位移隨著主梁間距變大而線性增加。其次，隨著主梁間距增大，板跨增大，橫橋向正彎矩?cái)?shù)值增大，橋面板底緣混凝土應(yīng)力數(shù)值增大。

[1] 趙衛(wèi)國.公路鋼筋混凝土梁橋的病害分析與受損后承載能力計(jì)算[D].西安：長安大學(xué),2007.

[2] 王春生,周 江,繆文輝.混凝土橋面板耐久性計(jì)算與影響參數(shù)分析[J].橋梁建設(shè),2012(6):74-80.

[3] 張喜德.鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性的若干問題研究[D].南寧：廣西大學(xué),2004.

[4] 王德山,桂水榮,江金宜.混凝土橋面板裂縫成因分析及處理措施研究[J].中外公路,2012(1):179-181.

[5] 張洪雷.鹽凍環(huán)境下鋼筋混凝土橋面板耐久性壽命研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2014.

[6] 朱劍泉.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與評(píng)估探討[D].武漢：華中科技大學(xué),2005.

[7] 朱勁松,閆廣鵬.鋼筋混凝土橋面板疲勞數(shù)值分析方法[J].中國公路學(xué)報(bào),2012(1):59-66.

Force analysis for reinforced concrete bridge deck of T beam bridge★

Jia Yanmin Tang Liang Liu Jinliang Liu Yunhao

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on the static load test of the Baobei River Bridge in Inner Mongolia, the finite element model was established by Midas FEA. Based on the model, the force response of bridge deck was analyzed with different bridge deck thickness and different main beam spacing. The results showed that the increase of the concrete tensile stress at the bottom of the bridge deck and concrete tensile stress on the top edge of pavement were the most obvious with the increase of the bridge deck thickness. Moreover, the increase of stress and deflection were all obvious with the increase of the main beam spacing.

T beam bridge, bridge deck thickness, main beam spacing, finite element model

1009-6825(2016)32-0180-03

2016-09-02★：內(nèi)蒙古交通廳科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：NJ-2012-12)

賈艷敏(1962- )，女，博士，博士生導(dǎo)師，教授； 唐 亮(1989- )，男，在讀碩士； 劉金亮(1992- )，男，在讀碩士； 劉云浩(1993- )，男，在讀碩士

U441

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