異形斜交簡支T梁橋受力性能分析

王 彬

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

異形斜梁橋顧名思義就是兩端橋跨支撐端，一端正交，一端與路線前進方向斜交的橋型。相對異形斜梁橋還有正交梁橋和斜交梁橋，正交梁橋是兩個支撐端都是正交的，斜交梁橋是兩個支撐端都與路線前進方向斜交。異形斜梁橋無論在高速公路還是市政道路上都得到了迅速的發展，這是因為其不但能改善道路線形及適應城市立交的要求使路線線形更加流暢，而且可以縮短線路和橋跨，從而節省道路用地、工程造價和投資，提高經濟效益。但由于斜交角度、橋面寬度等因素的影響使異形斜交T梁的受力分析比正交簡支T梁復雜得多，因此本文以實際工程為研究對象，分析在橋面寬度及斜交角度一定的條件下異形簡支T梁的受力狀態[1-3]。

1 工程概況

某高速公路大橋為跨越鐵路及河流而設，橋跨與鐵路線交角60°，路基寬度26 m。該橋單幅上部結構為5×30 m裝配式預應力混凝土簡支T梁，單片T梁梁高2.5 m，單幅橫向布置5片，在跨中、1/4處設置橫隔板，兩支撐端沿橫向支撐線各設置一道端橫隔板。由于該橋第2孔跨越鐵路為斜交橋，兩端斜交角度均為30°。主橋第1跨為異形簡支T梁橋，一端正交，另一端斜交角度為30°，1號內邊梁跨徑32.927 m，5號外邊梁跨徑27.073 m，兩者相差5.854 m，中間3號中梁跨徑為標準跨徑30 m，T梁結構布置形式如圖1～圖2所示。簡支T梁按部分預應力混凝土A類截面控制設計；該橋位處無不良地質；下部結構采用柱式墩、柱式臺、鉆孔灌注樁基礎。該橋的技術指標為：

a）設計荷載 公路-I級；

b）橋面凈寬 2×11.5 m；

c）地震動峰值加速度 0.05g；

d）設計洪水頻率 1/100。

圖1 異形簡支T梁橋平面布置圖（單位：mm）

圖2 異形簡支T梁橋橫向布置及構造圖（單位：mm）

2 研究分析方法

目前，比較常用的計算方法主要是將簡支T梁橋空間分析近似地分解為縱橋向和橫橋向分別進行計算，但由于分析3種橋型狀態，按照單梁分析顯然是不合適的，為了更好地模擬簡支T梁的空間受力狀態，本文采用梁格法建立模型，即將分散在梁的每一區段的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內，按照結構剛度等效的原則，采用MIDAS CIVIL建立分空間分析模型。兩端均正交的正交梁格模型如圖3所示；兩端斜交角度均為30°的斜交橋梁格模型如圖4所示；一端正交，一端斜交角度為30°的異形斜梁橋梁格模型如圖5所示，標準跨徑均為30 m[4]。

為研究分析異形斜交簡支T梁的受力性能，本文按照該實際工程的橋型布置，分別分析正交、斜交、異形斜交簡支T梁在相同條件下幾種荷載工況作用影響的受力性能，并分析引起差別的原因。

圖3 正交梁格模型

圖4 斜交梁格模型

圖5 異形梁格模型

3 結構受力性能分析

3.1 自重荷載作用主梁受力分析

分別計算3種梁格模型，在自身重量作用下，成橋狀態時主梁內力分析數據如表1所示。

表1 跨中正彎矩 kN·m

表2 跨中撓度 mm

從表1可以看出異形梁跨中最大彎矩從1號梁到5號箱式逐漸減少的，而正交梁及斜交梁變化不大，這是由于在自身恒載作用下，正交梁及斜交梁單片梁長度是一樣的，異形梁由于每片梁的長度不同，1號梁比5號梁大了近37%，這是由于每片梁每延米的重量相當，而隨著跨徑的增大，本身重量也在增大，跨中正彎矩較大。表2反應的是在自重作用下，正交及斜交梁單片梁的撓度基本一樣，而異形梁1號梁比5號梁大了近103%，這是由于每片梁長度不同造成每片梁的線剛度不同，在荷載作用下，每片梁的跨中最大撓度值也不同。

3.2 二期鋪裝荷載作用下主梁受力分析

表3 跨中正彎矩 kN·m

從表3可以看出在鋪完橋面鋪裝以后，正交梁的1號梁和5號梁、2～4號梁的跨中彎矩基本一樣；斜交梁1號梁與5號梁跨中彎矩小5%左右，2～3號梁逐漸增大，這是由于斜交梁扭矩的影響加大，使得跨中正彎矩分布不均；彎扭耦合作用在異形梁上作用更明顯，由于每片梁的長度不同，1～5號梁每片梁的彎矩大小不同。

表4 支座反力 kN

從表4可以看出正交梁的支座反力分布與跨中正彎矩分布趨勢基本一致；斜交梁支座分布趨勢是1號梁到5號梁是逐漸增加的，也就是說由于橫向連接剛度的影響，主梁支座從銳角區到鈍角區時逐漸增大；對于異形梁由于橫向連接剛度和各主梁長度不一造成支座反力分布極不均勻，差異較大，但總體變化趨勢與斜交梁一致[5]。

表5 跨中撓度 mm

從表5可以看出正交梁在二期鋪裝完成后，各片主梁的跨中撓度基本相同；斜交梁跨中撓度的變化基本與支座反力變化趨勢相同，即從銳角區到鈍角區時逐漸增大；對于異形梁，由于各片主梁長度不一，1號主梁大于標準跨徑30 m，所以1號主梁跨中撓度最大，5號主梁長度最小跨中撓度最小，其變化趨勢也由于橫向連接剛度和各主梁長度不一而影響其撓度大小[6]。

3.3 活載作用下主梁受力分析

圖6 活載偏1號邊梁方向支座反力（單位：kN）

圖7 活載偏5號邊梁方向支座反力（單位：kN）

圖8 活載偏1號邊梁方向撓度等值線圖（單位：mm）

圖9 活載偏5號邊梁方向撓度等值線圖（單位：mm）

梁號 項目正交 斜交 異形1號梁 558 538 529 2號梁 528 507 480 3號梁 510 533 502 4號梁 528 554 489 5號梁 558 570 605

梁號 項目正交 斜交 異形1號梁 6.8 6.5 8.1 2號梁 5.4 5.3 6.4 3號梁 4.9 4.9 5.2 4號梁 5.5 5.7 4.9 5號梁 6.8 7.1 5.5

從表6及圖6～圖7可以看出在按最不利布載方式下正交梁的邊梁支座反力最大，3號中梁支座反力最小；斜交橋由于橫向連接剛度的影響使彎扭耦合，耦合作用較突出，使支座反力除了正交梁的分布外，還有從銳角區到鈍角區時逐漸增大的趨勢；異形梁5號最短長度邊梁的支座反力最大，而1號邊梁的支座反力比5號小近15%，這是由于橫向連接剛度和各主梁長度不一的雙重影響造成的，由此可見當異形梁角斜交角度足夠大，汽車布載最不利時，可以使銳角區域的主梁在活載作用下支座呈現拉力，這在以后的實際中要重視。

從表7及圖8～圖9可以看出在按最不利布載方式下正交梁及斜交梁的變化趨勢與支座反力是相通的，而異形梁由于每片梁的線剛度不同，其變化趨勢與上述兩種橋型不同，由于1號梁的線剛度最小，其在靠近1號梁最不利布載時，產生的跨中最大撓度是最大的，但5號邊梁由于其線剛度最大，但在靠近5號邊梁布載時跨中仍產生了不小的豎向撓度，同理可以分析中梁的跨中撓度值。

4 結論

a）異形斜梁橋在自重作用下，由于單片梁的長度不一，造成跨中正彎矩、撓度值與正交梁及斜交梁不同，但3號梁基本相當。

b）由于橫向連接剛度和各主梁線剛度不同造成異形斜梁橋在二期恒載跨中正彎矩、撓度值較正交梁及斜交梁不同，差異較大，但總體變化趨勢與斜交梁一致。

c）異形斜梁橋在二期恒載作用下支座反力從銳角區到鈍角區時逐漸增大，這與斜梁橋支座反力變化趨勢是一致的。

d）異形梁由于彎扭耦合作用比較突出，在活載作用下主梁支座反力及庫中最大撓度分布是極不均勻的。