预应力混凝土简支T型梁桥拼宽静力特性分析

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发布时间：2011-03-17 11:08:56  更新时间：2011-03-17 11:08:56

　　摘要：以一座跨35m预应力简支T型梁桥，通过ANSYS分别建立了新旧桥间设置横隔板、新旧桥仅跨内设置而墩顶无横隔板和新旧桥间不设置横隔板的三种不同横向连接的有限元模型，计算和比较其在活载和不均匀沉降作用下的静力性能。结果表明：新旧桥间不设置横隔板时桥梁受力最为不利，在T型梁桥拼宽中，可以采用新旧桥之间设置横隔板而墩顶不设置横隔板的横向连接形式。
　　关键词：简支T梁；桥梁拼宽；纵向接缝；横隔板设置。
　　1、概述
　　对高速公路进行拓宽改造，是提高其通行能力的有效方法，而且具有比较好的社会和经济效益[1~2]。T型梁桥是高速公路中的一种重要桥型，因此在高速公路拼宽改造中，T型梁桥的拼宽改造是其中的重要内容之一[3~4]。选择新旧桥之间合理的连接形式是T型梁桥拼宽能否成功的关键。对于T型梁桥拼宽来说，新旧桥之间的横隔板数量如何设置是关系的连接形式的重要问题，而且目前的研究对这一问题并无明确结论。因此，研究采用不同横隔板数目的新旧桥连接形式对桥梁整体和局部受力特性的影响，可以为T型梁桥拼宽连接提供一定的理论依据。
　　2、有限元模型
　　选择一跨35米预应力简支T梁桥，新旧桥采用同跨径布置，两侧直接拼宽8m，，跨中截面横断面布置如图1，横向拼接的基本构造见图2。
　　该桥有限元模型采用ANSYS有限元软件建立[5]，新旧桥T梁翼缘间刚性对接。预应力单元采用link8单元模拟，桥梁实体结构采用Solid65单元模拟，纵横向约束采用弹簧单元combin14模拟。在T梁两端支座位置施加竖向约束，支座位置及T梁两端桥面铺装连接处纵横向约束分别采用纵横向弹簧约束模拟。新旧桥之间连接采用三种形式：（1）新旧桥间设置横隔板；（3）新旧桥仅跨内设置而墩顶无横隔板；（3）新旧桥间不设置横隔板。三种不同横向连接的有限元模型有限元模型横见图3和图4。
　　       
　　图1浦头大桥35米跨主梁横断面（单位：cm）                                                                             图2新旧桥连接构造示意图
　　
　　图3新旧桥有横隔板连接有限元模型                                                                           图4新旧桥无横隔板连接有限元模型
　　按材料参数的设计值确定，具体为：旧桥预应力钢筋：245碳素钢丝，弹性模量E=MPa，一束钢束截面积为；新桥预应力筋：75钢绞线，分7股和6股两种，弹性模量E=MPa，一束钢束截面积分别为和；混凝土结构的材料参数值见表1。
　　表1结构材料参数表
　　
　　3汽车荷载作用静力特性
　　3.1计算工况
　　按公路－I级车道荷载[6]进行桥梁的整体计算，根据跨中截面的影响线对桥梁进行活载的不利布置，并考虑纵横向折减，加载工况见表2，典型工况横向布置见图5和图6。
　　表2汽车荷载加载工况
　　

        
　　图5汽车荷载纵向布置图                                                                              图6（a）旧桥偏载四列(工况二)
　　                              
　　图6（b）全桥对称四列(工况五)                                                                                图6（c）局部加载两列(工况六)
　　
　　3.2各工况跨中截面挠度计算结果及比较
　　比较各个工况最大挠度，见表3，可以看出，有横隔板和仅墩顶无横隔板挠度相差很小，即墩顶有无横隔板对结构受力影响很小，而新旧桥之间完全不设置横隔板则对受力性能影响很大，最大挠度差达到了0.79mm，发生工况六，即局部加载两列工况，结合挠度横向分布（见图7）可以看出，完全不设置横隔板降低了桥梁整体承受荷载的能力。
　　
　　表3最大挠度和挠度差（mm）
　　 
　　图7（a）旧桥偏载两列工况挠度横向分布图7（b）接缝局部两列挠度横向分布
　　3.3跨中截面应力计算结果及比较
　　应变计算的控制点规定如下：梁底板应力控制点表示为1-1，2-1，……，10-1；梁顶计算应力控制点表示为1-4，1-5，2-4，2-5，……，10-4，10-5；顶板和腹板交界位置应力控制点表示为1-2，1-3，2-2，2-3，……，10-2，10-3；11～14表示接缝上下缘应力控制点，见图8。
　　
　　图8跨中应力控制点分布示意图
　　比较各个工况下不同模型的最大应力以及应力差，有横隔板和墩顶无横隔板各应力相差均很小，即墩顶有无横隔板对结构受力影响很小，而没有横隔板则对受力性能影响很大，跨中梁底最大应力差达到了0.35MPa，即接缝局部加载两列的工况，见表4，结合图9可以看出，没有横隔板降低了桥梁整体承受荷载的能力，导致了荷载作用的接缝相近位置的应力相对于有横隔板桥梁更大，两端更小。
　　
　　表4梁底最大应力和应力差（MPa）
　　工况 一 二 三 四 五 六 七 八
　　有横隔板① 4.07 3.61 3.50 3.12 2.84 2.07 3.00 2.92
　　墩顶无横隔板② 4.08 3.62 3.51 3.12 2.84 2.07 3.00 2.93
　　无横隔板③ 4.40 3.63 3.61 3.07 3.03 2.42 3.06 2.93
　　②-① 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01
　　③-① 0.33 0.02 0.11 -0.05 0.19 0.35 0.06 0.01
　　注：表中负值表示压应力，正值表示拉应力，以下同。
　　
　　图9（a）梁底应力横向分布(工况二)图9（b）梁底应力横向分布(工况六)
　　4沉降工况下跨中截面计算结果及比较
　　新旧桥之间不均匀沉降会引起拼接桥梁的附加内力，对5mm、7.5mm和10mm三个等级的沉降引起的内力进行分析，沉降计算模式见图10。
　　
　　图10沉降计算模式
　　比较三种不同支座沉降位移工况作用下应力，得出：①跨中截面梁顶纵向应力表现为靠近下沉支座一侧的梁顶为拉应力，而远离一侧为压应力，见图11，而跨中截面梁底纵向应力为两端T梁底缘受压，而中间T梁为受拉，见图12；②三种接缝模型新旧桥接缝的跨中截面上边缘产生横向拉应力，下边缘则为全部横隔板和墩顶无横隔板这两种模型为横向拉应力，而无横隔板的模型则表现为压应力，见图13；③跨中截面梁底纵向拉应力随沉降差的增大而增大，最大值分别为0.50MPa（沉降5mm），0.75MPa（沉降7.5mm），1.00MPa（沉降10mm），而T梁顶缘、顶板和腹板交界处纵向拉应力以及接缝上下缘横向拉应力很小，最大仅为0.30MPa。
　　可见，沉降引起的主梁和接缝的纵横向应力都比较小，将沉降差控制在10mm以内可以满足结构的受力要求。
　　
　　图11梁顶纵向应力横向分布图12梁底纵向应力横向分布
　　
　　图13(a)接缝上缘横向应力图13(b)接缝下缘横向应力
　　5应力组合分析
　　将各荷载工况与沉降工况作用下接缝上下缘最大应力进行组合，比较得到：①跨中T梁接缝上下缘纵向应力基本处于受压状态，而横向则处于受拉状态；②三种不同新旧桥连接形式下接缝上纵向应力相差很小，而横向应力相差较大，无横隔板连接的拼接桥梁接缝对应的横向拉应力最大，见表5和表6。
　　表5接缝上下缘纵向应力最不利组合（单位：Mpa）
　　接缝上缘
　　
　　模型 沉降5mm+工况六 沉降7.5mm+工况六 沉降10mm+工况六
　　 点11 点12 点11 点12 点11 点12
　　有横隔板 -1.17 -1.17 -1.17 -1.16 -1.17 -1.15
　　墩顶无横隔板 -1.19 -1.2 -1.2 -1.2 -1.21 -1.2
　　无横隔板 -1.23 -1.22 -1.23 -1.22 -1.24 -1.22
　　接缝下缘
　　
　　模型 沉降5mm+工况六 沉降7.5mm+工况六 沉降10mm+工况六
　　 点13 点14 点13 点14 点13 点14
　　有横隔板 -0.71 -0.76 -0.69 -0.73 -0.67 -0.71
　　墩顶无横隔板 -0.73 -0.78 -0.71 -0.76 -0.7 -0.75
　　无横隔板 -0.73 -0.78 -0.76 -0.8 -0.78 -0.82
　　
　　
　　表6接缝上下缘横向应力最不利组合（单位：MPa）
　　接缝上缘
　　模型 沉降5mm+工况一 沉降7.5mm+工况一 沉降10mm+工况一
　　 点11 点12 点11 点12 点11 点12
　　有横隔板 0.16 0.15 0.19 0.17 0.21 0.2
　　墩顶无横隔板 0.18 0.16 0.2 0.19 0.23 0.23
　　无横隔板 0.42 0.41 0.5 0.48 0.58 0.56
　　接缝下缘
　　模型 沉降5mm+工况六 沉降7.5mm+工况六 沉降10mm+工况六
　　 点13 点14 点13 点14 点13 点14
　　有横隔板 0.25 0.6 0.28 0.6 0.31 0.61
　　墩顶无横隔板 0.28 0.61 0.32 0.63 0.36 0.65
　　无横隔板 1.02 1.26 0.82 1.09 0.63 0.93
　　6结论
　　（1）新旧桥连接时墩顶有无横隔板对桥梁的整体刚度影响很小，而新旧桥间不采用横隔板则明显降低桥梁整体刚度，存在横隔板连接可以明显提高其扭转刚度；
　　（2）汽车荷载和不均匀沉降引起的主梁和接缝纵横向应力都比较小，将沉降差控制在10mm以内可以满足T梁桥结构的受力要求；
　　（3）推荐采用新旧桥梁横向连接部位全部采用横隔板连接而墩顶支座可不设置横隔板的横向连接形式，但在特殊情况下墩顶支座位置可以加设横隔板。
　　参考文献
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　　[3] 沈光玉，王吉英，田野．T梁拓宽的技术难点与对策[J]．辽宁交通科技，2005增刊：128-130．
　　[4] 徐志强．公路T梁桥拓宽拼接技术研究[D]：[硕士学位论文]，南京，东南大学，2005．
　　[5] 刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS.北京：清华大学出版社，2002年.
　　[6] JTGD60-2004．公路桥涵设计通用规范[S]．

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