T 梁連續剛構橋梁墩梁固結受力性能精細化分析

陳金盛

(福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004)

1 引言

標準化和施工便利的預制拼裝結構具有縮短工期、降低工程造價的優點， 山區公路橋梁的上部結構往往優先采用裝配式T 梁[1]。

由于山區地面起伏大， 一座橋的橋墩高度往往差別懸殊，高墩通常普遍存在。在橋梁設計中通常將一聯中較高的橋墩與上部結構采用墩梁固結方案， 并利用高墩自身的柔性適應上部結構的變形。 墩梁固結可以使高墩由一端固結、另一端自由的受力構件，變為一端固結、另一端彈性固結的構件[2]，從而提高了結構的穩定性。

墩梁固結處是全橋的關鍵受力部位之一，此處結構構造和應力分布都比較復雜， 設計時如果處理不當，在施工過程或運營中極容易造成混凝土開裂，因此全面真實掌握橋梁墩梁固結處的局部應力狀態具有十分重要的意義。

應用三維實體有限元單元對結構進行精細化分析可以大大提高橋梁仿真分析計算結果的可靠性， 尤其對于一些受力復雜的局部部位， 可減小簡化計算中各種常規假設帶來的誤差[3]。 已有研究者應用理論分析、數值模擬及光彈試驗等方法對橋梁墩梁固結部位做了一些針對性的分析[4-6]。

從現有研究來看， 對墩梁固結部位的受力復雜性取得較一致的意見， 但均尚未充分考慮混凝土收縮徐變對固結部位受力的長期影響， 也沒有詳盡研究不同荷載組合下墩梁固結部位的受力性能， 對于易開裂部位尚未給予明確結論。

本文使用精細化實體MIDAS 整體混合有限元模型對墩梁固結部位進行了局部受力性能的精細分析， 避免了以往研究采用局部有限元模型只能通過施加邊界面上荷載的方式進行研究的局限性， 可直接模擬局部部位的施工過程，并直接考慮各種荷載組合。研究重點關注了蓋梁頂部現澆梁段與蓋梁底部墩身可能出現的應力集中問題和裂縫易形成部位， 對混凝土收縮徐變的長期效應進行了探討，研究成果對現有研究形成了較好的補充，可為相關設計提供參考借鑒。

2 有限元模型構造

2.1 模型概況

以某山區公路橋其中一聯(5×30)m 為工程背景，建立墩梁固結部位精細化MIDAS 整體混合有限元分析模型。該聯橋梁的標準橫斷面布置如圖1 所示， 該聯橋梁的下部結構設計參數如表1 所示。 其中橋墩均采用雙柱墩，1#、4# 和5# 橋墩采用等截面圓形墩，2# 和3# 橋墩由于墩高較高，采用變截面正方形矩形墩。上部結構采用先簡支后連續的施工方案，2# 橋墩采用墩梁固結方案， 其它橋墩則不固結。 上部結構砼采用C50。

研究采用有限元軟件Midas/Civil 建立包括墩梁固結部位局部精細化實體單元的整體混合有限元模型， 如圖2 所示。 模型中除了2# 墩梁固結部位之外，采用梁單元模擬，2# 墩位置處的墩梁固結部位則采用實體單元進行精細化模擬。 全橋整體模型包括節點8126 個，單元總計6240 個，其中梁單元808 個，實體單元5432 個。 與以往研究不同的是， 本研究所采取的整體混合有限元模型能詳盡按照實際情況模擬墩梁固結部位的施工過程， 可對各種荷載作用及組合下局部部位的受力進行直接分析。

圖1 橋梁標準橫斷面

表1 橋梁下部結構設計參數

圖2 固結部位的精細化MIDAS 整體混合有限元模型

2.2 計算假定和荷載處理

計算分析時，假設結構處于彈性狀態。荷載按照我國規范《公路橋涵設計通用規范》 (JTG D60-2015)在模型中建立荷載模型，活荷載主要包括系統溫度、溫度梯度、汽車制動力、公路I 級活荷載，恒荷載按照實際情況分別模擬了自重、收縮徐變、預應力等。

2.3 邊界條件

有限元模型邊界條件設置中，通過計算出等效樁長，在模擬中按等效樁長模擬，并將樁底固結。非墩梁固結位置的主梁與蓋梁之間通過彈性連接模擬支座。 墩梁固結位置的局部實體單元模型與周圍的梁單元模型界面采用剛性連接模擬。

2.4 荷載工況

通過按照實際施工過程進行模擬， 有限元分析主要考慮以下3 種工況：(1)成橋初始；(2)成橋5 年后；(3)正常使用極限狀態荷載規范規定的荷載組合。

3 計算結果

3.1 2# 墩蓋梁頂部現澆梁段根部豎向正應力

2# 墩蓋梁頂部現澆梁段根部的成橋初始狀態、成橋5 年、 正常使用極限狀態荷載組合最小與最大的豎向正應力分別如圖3 所示。 圖3 中“1”、“2”點靠中跨側，“3”、“4”點靠邊跨側。圖中正值表示壓應力，負值表示拉應力。

3.2 2# 墩蓋梁底部墩身豎向正應力

2# 墩蓋梁底部墩身在成橋初始狀態、 成橋5 年、正常使用極限狀態荷載組合最小及最大時正應力如圖4 所示。 圖4 中“1”、“2”點靠中跨側，“3”、“4”點靠邊跨側，與圖3 相同。

圖3 2# 墩蓋梁頂部現澆梁段豎向正應力圖

圖4 2# 墩蓋梁底部墩身豎向正應力圖

4 結果分析

通過針對2# 墩部位的局部精細分析，主要有以下發現：

(1)成橋初期，在T 梁與墩頂現澆梁段交接的位置，恒載產生的豎向應力會達到一個局部的極值。 因為本橋上部結構由6 根T 梁組成，所以圖中極值也有6 個，如圖3(a)所示。其中，最大的壓應力發生在矩形墩身上方對應的T 梁位置，最大的拉應力發生在現澆段橫橋向中間位置。此時， 蓋梁頂部現澆段根部的豎向應力在朝向邊跨的一側與朝向中跨的一側應力相差不大。

(2)成橋5 年，在混凝土收縮徐變作用下，現澆段根部豎向應力在成橋初期很明顯的6 個局部極值會趨向于消失，取而代之的是沿著橫橋向趨向于均勻化的應力分布，即此時局部極值逐漸變得不明顯，如圖3(b)所示。 同時，朝向邊跨的一側應力高于朝向中跨的一側應力。

(3)在正常使用極限狀態荷載組合下，最大拉應力與最大壓應力發生在邊T 梁和墩頂現澆段交接的位置， 如圖3(c)和圖3(d)所示。蓋梁頂部的現澆段根部最大組合主拉應力2.58 MPa，接近抗拉強度2.65 MPa。 因此，在最不利荷載組合下， 墩頂現澆段根部在與邊T 梁交接的位置最可能出現水平向的微裂縫，如圖5 所示。

圖5 墩梁固結部位裂縫高風險區域

(4)從圖4 可以看到，靠近蓋梁底部的橋墩橫截面的變形不符合平截面假定。 在橋墩的4 個角點出現了應力集中。 正常使用極限狀態荷載組合下最大拉應力為2.26 MPa(接近抗拉強度2.40 MPa)，發生在角點“2”，為墩身最可能出現裂縫的位置，如圖5 所示。

5 結論與設計建議

本文對山區預制裝配式T 型梁橋的墩梁固結部位進行了精細化分析， 同時研究了蓋梁頂部現澆梁段與蓋梁底部墩身可能出現的應力集中和開裂趨勢問題， 并對混凝土收縮徐變的長期影響進行了分析。 根據精細化分析的結果，本文的主要結論和設計建議如下：

(1)在正常使用極限狀態最不利荷載組合下，蓋梁頂部的現澆段根部的外緣T 梁存有較高的產生水平向裂縫的風險。因此在設計時，建議在該處適當增加布置直徑小和間距小的加強鋼筋，以防止裂縫發生。

(2)在正常使用極限狀態最不利荷載組合下，靠近蓋梁底部的墩身橫截面角點可能出現拉應力， 存有較高產生裂縫的風險。在設計時，建議在二者交接處的墩身角點位置布置加強鋼筋，以防止裂縫發生。

(3)混凝土徐變的長期效應將使得墩梁固結部位的應力集中問題減緩。