蔣晨旭，高 寶

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州 310006)

連續(xù)T梁墩梁固結后結構受力影響分析

蔣晨旭，高 寶

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州 310006)

簡支變連續(xù)T梁是公路建設中常用的一種結構形式，對于山區(qū)高墩橋梁，可以將橋墩與主梁固結，以改善墩身受力，提高整體穩(wěn)定性。以山區(qū)高墩橋梁為例建立全橋模型，對墩梁固結及支座體系進行靜力分析，得到不同工況下的結構內(nèi)力，并對其變化趨勢進行了分析比較。

T梁；墩梁固結；結構受力；分析

1 概 述

目前，在國內(nèi)公路建設中，常規(guī)橋梁一般采用標準化跨徑的裝配式結構，如空心板、組合箱梁、T梁等?？紤]到結構受力及車輛行駛的舒適性，上述預制梁板常采用先簡支后連續(xù)的結構體系。對于山區(qū)高速公路，往往存在以高墩橋梁的形式跨越溝谷或山澗，此時上部結構的水平力對橋梁墩柱將產(chǎn)生極大的彎矩及水平位移，為了改善橋墩結構受力，提高橋梁整體穩(wěn)定性，可考慮采用墩梁固結的結構形式。該方案具有連續(xù)剛構橋梁的優(yōu)點，對于改善橋墩受力及變形具有明顯的作用，且無需更換支座，后期保養(yǎng)方便，橋梁整體穩(wěn)定性好。因此墩梁固結在山區(qū)高墩橋梁中具有良好的應用前景，對其結構體系的受力分析具有較大的實用意義。

2 墩梁固結連續(xù)T梁結構體系的變化

墩梁固結連續(xù)T梁施工流程：① T梁預制，同時施工橋梁下部結構；②架設T梁；③梁板濕接縫澆筑，同時通過蓋梁預埋鋼筋與T梁墩頂現(xiàn)澆濕接縫連接，張拉墩頂負彎矩束；④ 拆除臨時支座，施作橋面系；⑤ 施工結束，橋梁運營。

(a) 墩梁固結前T梁結構自重彎矩示意圖

(b) 墩梁固結后豎向均布力作用下彎矩示意圖

(c)墩梁固結后水平力作用下彎矩示意圖圖1 橋梁結構受力彎矩示意圖

根據(jù)施工流程，橋梁在墩梁固結前后為不同的結構體系，在流程②T梁架設后，梁體在梁端支撐于支座或臨時支座上，形成簡支梁，此時梁體為靜定結構，該階段收縮徐變、溫度變化等均不會在結構中產(chǎn)生附加內(nèi)力，梁體只承受自重效應產(chǎn)生的正彎矩作用，一般在跨中位置為彎矩最大值(見圖1(a))。

流程③施作后橋梁上下部形成剛構體系，T梁與橋墩互相約束，梁、墩兩者的受力分配將由其相對剛度決定。(1)當梁體在二期恒載及活載等豎向荷載作用下(圖1(b))，梁體跨中產(chǎn)生正彎矩，墩頂處產(chǎn)生負彎矩，由于支點負彎矩的卸荷作用，后期豎向荷載產(chǎn)生的跨中正彎矩顯著減小。同時，與一次落架的連續(xù)體系相比，由于預制梁不產(chǎn)生負彎矩，因此T梁在中支點比一次落架連續(xù)梁的負彎矩值要小的多。由于墩梁固結，墩柱對梁體產(chǎn)生了一定的約束作用，此時橋墩也將會產(chǎn)生一定的彎矩。(2)墩梁固結后，在水平力的作用下，墩頂及梁體均會產(chǎn)生較大的彎矩值，如圖1(c)所示，梁體在支點處彎矩值最大，向跨中或邊支點方向逐漸變??；墩身彎矩隨截面高度的降低具有先減小后加大的變化趨勢，并在墩柱頂?shù)桩a(chǎn)生反向彎矩。(3)固結體系超靜定次數(shù)多于連續(xù)梁支座體系，在收縮徐變、溫度變化及基礎沉降等工況作用下產(chǎn)生的次內(nèi)力效應也更為明顯[1-3]，因此在設計時需引起重視。

3 算例分析

某山區(qū)高速公路橋梁(見圖2、圖3)，單幅寬度為12.5m，上部采用50m連續(xù)T梁，下部采用空心薄壁墩，墩高60m左右，采用墩梁固結的結構形式。本文以三跨一聯(lián)為例，對簡支變連續(xù)結構按設置支座及墩梁固結兩種不同的體系進行受力影響分析。

圖2 T梁標準橫斷面示意

圖3 橋梁總體布置(3×50mT梁)

3.1 計算模型

本文對橋梁結構的總體受力進行分析，不針對具體單梁，采用橋梁博士軟件按3×50m一聯(lián)建立全橋結構模型，分別按設置支座連接及墩梁固結進行計算，為了體現(xiàn)墩高影響的差異性，墩梁固結體系按墩高30～80m分別計算。

計算體系1：2、3號墩采用墩梁固結，其余墩頂采用滑動支座；

計算體系2：2號墩采用固定支座，其余墩頂采用滑動支座；

計算假定：① 本項目位于山區(qū)，淺層即入巖，橋墩在承臺底固結； ② 忽略滑動支座的摩阻力；

計算參數(shù)選?。很嚨篮奢d：按公路-Ⅰ級，單向3車道計；支座不均勻沉降：樁基入巖，墩柱按5mm不均勻沉降計； 溫度荷載：按整體升降溫20℃計；收縮徐變：大氣平均相對濕度取80%，收縮徐變天數(shù)按10年考慮。

3.2 計算結果與分析

主梁以受彎為主，受剪次之，軸力影響相對較??；橋墩為偏壓構件，其受力性能受彎矩及軸向力共同控制，一般彎矩起主導作用，并受桿件計算長度的影響。限于篇幅，本次主要取主梁的彎矩、墩柱的彎矩進行比較分析，同時，對于墩頂?shù)乃轿灰埔策M行了比較。

計算荷載效應考慮了恒載、收縮徐變、活載(含沖擊力及制動力)、整體升降溫、梯度溫度、不均勻沉降等作用的影響，為了便于分析，不計入風荷載的影響，不考慮分項組合系數(shù)，按標準值組合計算。

3.2.1 上部梁體內(nèi)力變化

根據(jù)計算結果，梁體跨中彎矩均為正值，1#墩墩頂最大彎矩為正值，最小彎矩為負值，且體系1固結點兩側(cè)彎矩將會根據(jù)墩梁的剛度分配產(chǎn)生突變，因此選取跨中正彎矩及墩頂兩側(cè)正負彎矩進行內(nèi)力比較。取墩高為x軸坐標，以不同墩高在墩梁固結體系下的彎矩比(體系1彎矩值/體系2彎矩值)為y軸坐標，得到在不同工況下彎矩內(nèi)力的比較結果(如圖4)。

圖4 體系1與體系2梁體彎矩比

從圖4可以看出：墩梁固結后，上部結構在跨中彎矩極值變化較小，跨中彎矩比在4%之內(nèi)；墩頂彎矩變化相對較大，最大彎矩的比值變化范圍為0.7～1.7，最不利效應位于中跨側(cè)，最小彎矩的比值變化范圍為1～1.3，最不利效應位于邊跨側(cè)。因此，墩梁固結后，上部結構跨中正彎矩基本與原體系一致，對其彎矩效應不需做特殊設計；但梁體在墩頂附近，內(nèi)力變化較為明顯，其最不利效應一般大于支座體系，設計過程中需注意體系變化對結構內(nèi)力產(chǎn)生的影響。

3.2.2 下部墩柱內(nèi)力及墩頂位移變化

(1)不同體系下墩身截面變化的影響

墩梁固結以后墩柱與梁體互相約束，墩身截面剛度的變化對整體結構受力將會產(chǎn)生較大的影響，因此選取不同的截面尺寸，進行比較各工況下內(nèi)力的變化。

假定墩高60m，墩身截面尺寸見表1：

表1 墩身截面尺寸參數(shù)表

以墩頂至計算截面的距離為x軸坐標，不同墩身截面在墩梁固結體系下的彎矩值為y軸坐標(正彎矩指的是邊跨側(cè)受拉)，得到在不同工況下橋墩沿墩身變化的彎矩內(nèi)力值，見圖5。

圖5 墩高60m不同截面尺寸下墩柱彎矩

從圖5可以看出：

1)體系2墩頂彎矩為0，控制截面即彎矩最大值位于墩底；而體系1受上部結構的約束，在墩頂即產(chǎn)生彎矩，一般控制截面位于墩頂或墩底。

2)對于同一墩高，體系2在不同的截面尺寸下其墩柱彎矩值不變；體系1受截面剛度影響，其彎矩極值將會隨著截面尺寸的加大而增加，如截面1時最大彎矩12 875kN，截面5時最大彎矩18 721kN。因此在設計過程中，需注意截面尺寸變化對墩身內(nèi)力變化的影響，綜合考慮不同截面墩柱內(nèi)力大小與結構抗力后選擇合適的墩身截面尺寸。

(2)不同體系下墩高變化的影響

取墩高為x軸坐標，以墩頂或墩底彎矩極值為y軸坐標，得到在不同工況下橋墩彎矩極值隨墩高變化的曲線，見圖6。

圖6 不同墩高情況下墩柱彎矩

從圖6可以看出：

1)對于矮墩，體系1墩身彎矩明顯大于體系2，而隨著墩高增加，體系1彎矩值逐漸變小，且變化趨勢漸緩，體系2彎矩值線性增加。當墩高位于45m左右時，兩種體系墩身彎矩極值較為接近，同時考慮到固結與支座體系計算長度[4]的不同，此時固結墩配筋量將小于非固結墩，因此當墩高大于45m時，采用墩梁固結，可節(jié)省材料，降低工程造價。

圖7 不同墩高情況下墩頂水平位移

2)當墩身截面尺寸保持不變時，體系1墩身彎矩極值會隨著墩高的增加從墩底轉(zhuǎn)移到墩頂。當墩高小于55m，彎矩極值位于墩底，當墩高大于55m時，彎矩極值位于墩頂。

(3) 墩柱在不同體系及工況下的墩頂水平位移

從圖7可以看出：隨著墩高的增加，體系1墩頂水平位移增長緩慢，而體系2水平位移急劇加大，如墩高80m的時候，非固結墩墩頂位移17.3cm，而固結以后位移值僅為4.4cm，因此對于高墩，墩梁固結可有效控制墩頂水平位移。

4 結 語

對墩梁固結與否兩種結構體系，通過建立有限元模型，對其內(nèi)力及墩頂位移進行了分析比較，得到如下結論：

(1)墩梁固結后，梁體跨中彎矩的變化較小，基本與原體系一致，對其彎矩效應不需做特殊設計；但在墩頂附近，彎矩變化較為明顯，最不利效應一般大于支座體系，設計過程中需注意體系變化對結構內(nèi)力產(chǎn)生的影響。

(2)支座體系控制截面一般位于墩底；墩梁固結后其控制截面位于墩頂或墩底。

(3)墩梁固結后，墩身彎矩極值將會隨著截面尺寸的加大而增加，設計中需注意截面尺寸變化對墩身內(nèi)力變化的影響。

(4)對于同一截面尺寸，矮墩固結時墩身彎矩極值明顯大于非固結體系，高墩固結后其彎矩極值明顯小于非固結體系，因此對于墩高較矮的橋梁，不適宜采用墩梁固結的形式，而對于山區(qū)高墩橋梁，采用墩梁固結，可節(jié)省材料，降低工程造價。

(5)高墩固結后可有效的控制墩頂水平位移。

通過上述計算及分析，可以對T梁墩梁固結后的內(nèi)力變化有更進一步了解，對類似結構的橋梁設計具有一定的參考意義。需要指出的是，本文僅對橋梁進行了整體結構分析，墩梁固結后在固結處存在局部應力集中現(xiàn)象[5]，設計時也需引起注意。

[1]肖汝誠，等. 橋梁結構體系[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]劉效堯，徐岳.梁橋[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3] 陳冠華，房貞政.T梁與墩固結體系橋梁的應用及內(nèi)力分析[J].福建建筑，2005，93(3)：1-2.

[4]JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[5]黃萍.T梁連續(xù)剛構橋梁墩梁固結節(jié)點模型有限元分析[J].公路，2013，(8)：75-79.

The Force Analysis of the Continuous T-beam Fixed with Pier

JIANG Chen-xu, GAO Bao

(Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning,Design & Research,Hangzhou 310006,China)

The simply supported-continuous T-beam is a common structural form of the highway construction. For high pier bridge in mountain area, in order to improve the stress of the pier and enhance the overall stability, the pier and the girder can be consolidated. In this paper, the whole bridge model is established by taking the high pier bridge in mountain area as an example. According to the Static analysis of Pier-Girder consolidation and support system, the internal force of the strcture under different working conditions is obtained, and the change trend is analyzed and compared.

T-beam; Pier-Girder consolidation; structural stress ; analysis

2017-03-28

蔣晨旭(1977-)，男，江蘇宜興人，工程師，碩士，E-mail：9181639@qq.com。

U441

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.02.001

1671-234X(2017)02-0001-04