梁格法在T型梁橋靜載試驗中的應用研究

侯 攀，彭放枚

(1.廣西交通工程檢測有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530003)

0 引言

在我國現役橋梁中，混凝土T梁橋由于構造簡單、受力明確、預制施工方便等優點，成為了使用最多的橋型之一。據統計，在廣西有70%的公路橋梁采用了裝配式T梁橋。目前，我國的橋梁建設日趨平緩，已逐步進入橋梁養護期。為檢測運營期橋梁的承載能力，橋梁荷載試驗是最直接有效的方法。荷載試驗最重要的一個環節是對在役橋梁的實際狀況進行理論計算，對于混凝土T梁橋，目前常用的理論計算方法是單梁和梁格法計算。本文以實際工程項目為依托，驗證梁格法在T梁橋荷載試驗中的使用效果，并與單梁法進行比較，為梁格法在T梁橋荷載試驗中的應用提供參考，同時為規范混凝土T梁橋的養護工作提供科學依據。

1 荷載試驗理論計算方法原理

1.1 單梁法基本原理

單梁法是將空間結構通過橫向分布理論轉化為平面桿系來進行計算分析。由于T梁橫向主要采用濕接縫連接，采用單梁計算時，主梁的荷載橫向分布系數通常采用的是剛接法，該方法實際上是考慮了橫向彎矩的完全有效傳遞[1]。單梁法計算快捷，建模簡單，但在實際工程中，由于施工因素、荷載疲勞、病害等因素，T梁橫向連接的彎矩傳遞效率是無法達到理想狀態的，因此在后期的荷載試驗承載能力評估過程中，實測值與理論值存在較大的差異。

1.2 梁格法基本原理

梁格法是用等效梁格代替橋梁上部結構，各區域內的彎曲剛度和抗扭剛度集中于鄰近的等效梁格內，實際結構的縱向剛度集中于縱向梁格構件內，橫向剛度則集中于橫向梁格構件內。梁格等效原則理論上應滿足：當原型實際結構和對應的等效梁格承受相同荷載時，兩者的撓曲應恒等，任一梁格內的彎矩、剪力和扭矩應等于該梁格所代表的實際結構部分的內力[2]。采用梁格法對T梁進行分析時，由于橫向連接采用了梁格構件等效，因此，可以根據實際檢測狀況調整橫向連接構件的剛度，使理論計算更加符合實際狀況。

T梁由于其結構受力明確，劃分網格時應遵循如下要點[3]：

(1)對于非密排的T梁，可取單個T梁為一個縱向梁格。在進行網格劃分前，應先對T梁的有效寬度進行計算，縱梁的翼緣板尺寸應不大于規范規定的有效寬度，翼緣板的有效寬度的計算按照行業標準《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)4.2.2條計算。

(2)在未設置橫隔板的位置，橫橋向采用翼緣板連接，主梁的縱橋向彎矩完全由T形截面承擔。

(3)梁格的節段劃分應符合上部結構的實際受力性能。在設置了橫隔板的位置，應將橫隔板單獨進行梁格劃分，且網格不宜過大。未設置橫隔板的位置，橫向梁格的大小參考縱向梁格的大小劃分。

(4)內力突變區應加密網格，比如支點附近，縱、橫向構件的間距應大約相等。此外靜載試驗關鍵截面附近網格加密可讓理論值更加精確。

(5)結構容重的計算計入縱梁，橫梁采用虛擬梁的形式，容重為0。

2 梁格法在橋梁荷載試驗中的應用分析

2.1 工程概況

本文以某高速公路四跨預應力混凝土連續T形梁橋的橋梁靜載試驗為例進行分析。該橋橋梁跨徑組合為4×40 m先簡支后連續T梁。橋面總寬12.75 m，橫向布置為0.5 m(防撞墻)+11.75 m(車行道)+0.5 m(防撞墻)。每跨橫向布置6片T梁，梁高250 cm，邊梁寬185 cm，中梁寬170 cm，濕接縫寬45 cm。設計荷載等級為：公路一級。本文取第二跨最大正彎矩的正載工況為例進行計算。T梁截面尺寸如圖1～2所示。

圖1 中梁跨中截面尺寸圖(單位：cm)

圖2 邊梁跨中截面尺寸圖(單位：cm)

2.2 梁格法計算模型及結果分析

2.2.1 建立梁格法有限元模型

根據梁格法劃分梁格的相關要求及原則，對該橋主梁縱梁翼緣板進行有效寬度計算，確定縱橫向梁格尺寸和間距。網格劃分如下：縱向梁格控制在1～2 m內，荷載試驗關鍵截面處加密網格，將縱梁濕接縫1/2計入縱梁進行計算，虛擬橫梁用“一”字型截面模擬，間距取1～2 m，網格劃分與縱梁梁格一致，試驗關鍵截面處網格加密，截面尺寸與濕接縫實際尺寸一致。

有限元模型的建立采用目前較常用的大型通用有限元計算軟件Midas civil，結構離散圖如圖3～4所示。全橋共計731個節點，劃分梁單元922個，為方便模擬車輛荷載的加載，另建立360個薄板單元模擬橋面板?？v梁混凝土彈性模量取3.45×104MPa，容重26 kN/m3。設計15 cm混凝土鋪裝，考慮到橋面鋪裝層混凝土施工質量、尺寸偏差等因素，計入12 cm厚混凝土鋪裝對上構抗彎剛度的影響。橫梁及橫隔板混凝土密度均取0，彈性模量與泊松比取實際值，即保證橫向聯系的剛度與實際一致，彎矩傳遞有效值采用100%。

圖3 梁格結構離散圖

圖4 主梁梁格劃分示意圖

2.2.2 與單梁法理論計算結果對比分析

在T型梁橋的理論中，往往是將橫向連接作為剛接進行設計的，然而在橋梁的實際運營中，受施工工藝、材料時變效應等因素的影響，橫向連接的剛度顯然無法達到設計的水平，而荷載試驗則是測試結構橫向分布系數最好的辦法，通過試驗結果對結構進行設計理論驗證。本文分別采用剛接法和梁格法求解三車道汽車荷載作用下跨中截面的橫向分布系數，計算結果見表1，從表中可見，用剛接法計算橫向分布系數與梁格法計算的橫向分布系數絕對差值在0.01以內，計算結果比較吻合。在實際的運營過程中，橫向連接部分伴隨病害的發展以及材料性能的退化，橫向彎矩傳遞能力降低，下文將通過荷載試驗的結果對其橫向彎矩的傳遞有效值進行研究。

表1 荷載橫向分布系數對比結果表

靜載試驗加載根據現行規范[4]的相關要求進行，加載采用6輛35 t三軸汽車，加載車布置如圖5～6所示。加載效率控制在0.95～1.05之間，加載效率計算結果見表2，從計算結果可以看出，梁格法和單梁計算結果基本一致，單梁法計算結果略低于梁格法。

表2 靜載試驗加載效率表

圖5 靜載試驗加載車輛布置示意圖(單位：cm)

圖6 測點布置示意圖(單位：cm)

2.2.3 靜載試驗結果分析

在加載車輛的作用下，該橋跨中截面測試結果見表3、表4。根據各測點的實測撓度值和應變值，按照每片梁撓度(應變)與所有梁撓度(應變)總和的比值繪制實測結果的橫向分配系數曲線，與理論橫向分配曲線進行比較，見圖7～8，由圖可知本橋實測橫向分配與理論計算基本相符，但從橫向分配曲線可知，實測橫向彎矩的有效值傳遞水平低于理論橫向彎矩的傳遞。

表3 撓度測試結果分析表

圖7 測試跨滿載撓度橫向分配系數圖

測試截面數據類型2#跨測試截面B(正載)1#2#3#4#5#6#撓度應變彈性值(με)404345464440應變理論計算值(με)747576767474校驗系數0.5390.5730.5930.6060.5910.541

圖8 測試跨滿載應變橫向分配系數圖

3 結語

對于梁格法在T型預應力混凝土連續梁橋中的運用，得出如下結論：

(1)根據實際案例分析結果得出，梁格法能夠較好地模擬空間結構的受力狀況，不需要通過傳統手段計算橋梁的橫向分布系數以及偏載系數，計算簡單明確，數據精度滿足T型連續梁橋進行荷載試驗的要求。

(2)與單梁模型理論計算結果基本一致，彎矩計算結果略高于單梁法，彎矩的計算過程較單梁法具有較高的簡便性。

(3)根據實測橫向分配系數與理論橫向分配系數對比可知，結構在運營過程中的實際橫向分配系數低于理論的橫向分配系數，而梁格法可以通過調整橫向連接的剛度系數調整橫向彎矩的橫向傳遞效率，更加準確地模擬結構的實際受力狀況，具有更高的適用性。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2016.

[2]戴公連.橋梁結構空間分析設計方法與應用[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]李國豪.公路橋梁荷載橫向分布計算[M].北京：人民交通出版社，1984.

[4]JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗規程[S].