橫向整固T梁橋復(fù)合桁架技術(shù)的分析研究

朱廣河，全 晉，張珂欣

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)鑒定站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古高等等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限公司第二公路建設(shè)管理分公司）

1 引言

T 梁橋復(fù)合桁架橫向整固技術(shù)系為該型橋梁整體整固不可缺少的一個(gè)技術(shù)方面，這里提出4種橫向整固桁架結(jié)構(gòu)，并通過有限元ABAQUS模擬計(jì)算系統(tǒng)，在重點(diǎn)考慮中載及偏載兩種載荷工況條件下，通過基于案例工程的實(shí)用參數(shù)和技術(shù)狀態(tài)的計(jì)算和功效對(duì)比，得出相較于三角型桁架、K型桁架結(jié)構(gòu)加固功效更具優(yōu)勢(shì)的技術(shù)結(jié)論，可為同類工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 案例和整固方案

案例系為某臨洪高架T梁橋，結(jié)合工程的基本技術(shù)需求，本著適度簡化及改造的精神開展設(shè)計(jì)建造。T梁總長60m，梁高1.68m，全橋共計(jì)5根橫向T梁，各T梁翼緣寬度均為1.6m，厚度0.18m。T 梁間濕對(duì)接縫寬度0.8m。全橋設(shè)計(jì)為3跨，跨度均為20m。均設(shè)置橫隔板于各跨端。案例T 梁橋橫斷面結(jié)構(gòu)規(guī)格示意見圖1 所示。

圖1 案例T梁橋橫斷面結(jié)構(gòu)示意（m）

復(fù)合桁架型式，鋼管內(nèi)充填混凝土，可以同時(shí)發(fā)揮混凝土抗壓及鋼材抗拉的特性。桁架裝配完以后，可借助預(yù)制孔洞，向鋼管內(nèi)部充填混凝土，操作簡便快捷。桁架系統(tǒng)橫向裝配于T梁間，利于協(xié)同各T梁間的應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)化橫向結(jié)構(gòu)聯(lián)系，增強(qiáng)橋梁的整體性。預(yù)制程度高，重量相對(duì)輕，工期即時(shí)，交通影響相對(duì)較小，是一種比較理想的橋梁加固類型。

橋梁工程應(yīng)用中，復(fù)合桁架結(jié)構(gòu)樣式大體上可以分為4種：分離底梁K型復(fù)合、長通底梁K型復(fù)合、分離底梁三角型児復(fù)合桁架、長通底梁三角型復(fù)合桁架，其強(qiáng)化加固樣式見圖2～圖5所示。各結(jié)構(gòu)方式按配置又可區(qū)分為：跨中1排桁架、跨中3分點(diǎn)2排桁架和跨中4分點(diǎn)3排桁架三種整固樣式，本研究對(duì)各結(jié)構(gòu)形式的整固功效開展探究，分析不同要素對(duì)整固功效的影響。

為了更有效防止桁架在經(jīng)過整固后，T梁翼緣可能存在的應(yīng)力集中狀態(tài)，可以在T梁跟桁架觸接點(diǎn)加設(shè)矩形墊板，其規(guī)格可設(shè)計(jì)為縱向長度1m，高度值0.1m，取內(nèi)砼外鋼樣式，內(nèi)充混凝土，外包8mm厚鋼板。橋體跟頂墊板采取錨栓接連狀態(tài)，復(fù)合桁架與底面經(jīng)過縫焊縫開展接連，圖2～圖5橋梁斷面示意圖中可發(fā)現(xiàn)其斷面樣式及裝配部位。

圖2 長通底梁K型復(fù)合桁架橫斷面

圖3 分離底梁K型復(fù)合桁架橫斷面

圖4 長通底梁三角型復(fù)合桁架橫斷面

圖5 分離底梁三角型復(fù)合桁架橫斷面

3 重點(diǎn)參數(shù)和計(jì)算模型

在有限元ABAQUS 模擬系統(tǒng)的分析計(jì)算中，鋼混結(jié)構(gòu)一般會(huì)選用三種模擬方式開展處理，分別為分離型、組合型及整體型。本研究探討復(fù)合桁架的強(qiáng)化加固對(duì)橋梁形變功效的影響，不涉及混凝土與鋼筋間的互相作用，T梁橋模型選用整體式模型。整體型模型考慮關(guān)聯(lián)性能參數(shù)和鋼筋的配筋率，經(jīng)過換算，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中使鋼筋彌散均勻，融合到混凝土中，形成相對(duì)均勻狀態(tài)，通過嚴(yán)格計(jì)算，進(jìn)而獲得全新本構(gòu)關(guān)系，借以表達(dá)和揭示材料的特性。

3.1 材料和荷載計(jì)算參數(shù)

計(jì)算材料參數(shù)和車輛載荷技術(shù)參數(shù)具體見表1 和表2。

公路Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)車輛載荷選用等同的車輛載荷標(biāo)準(zhǔn)值，其載荷的平面、立面規(guī)格如圖6、圖7 所示。選用中心加荷和偏心加荷兩種載荷工況，兩種加荷工況下車輛載荷的橫向配置如圖8、圖9所示。

表1 材料參數(shù)

表2 車輛參數(shù)

圖6 立面配置

圖7 平面規(guī)格（mm）

圖8 橫向中載配置（mm）

本研究重點(diǎn)探究在不同整固形式下，中間跨橋梁的垂向移位變化情況，把車輛配置于中跨，左端橋跨與其車輪中線相距4m，其車輛載荷縱向具體配置見圖10所示。

圖10 車輛載荷中跨縱向配置（mm）

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型和邊界條件

借助有限元ABAQUS 三維模擬系統(tǒng)開展數(shù)理建模，橋面板高度方向和橫橋向方向分布為模型Y軸方向和X 軸方向，縱橋向方向?yàn)閆 方向。選用線性C3D6 楔形單元及線性C3D8R六面體單元開展網(wǎng)絡(luò)劃分。有限元計(jì)算模型如圖11所示。

圖11 有限元模型

模邊界條件為模型T 梁底部Z=0m、Z=40m 和Z=60m區(qū)域設(shè)置兩向（X、Y）約束，模型T梁底部Z=20m區(qū)域設(shè)置三向（X、Y、Z）約束，考慮支撐座實(shí)際規(guī)格，在沿橫向T梁底寬，沿縱向0.4m的區(qū)域內(nèi)設(shè)置各處約束。

4 基于不同方案的整固功效影響分析

為評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)樣式復(fù)合桁架的整固功效，下文對(duì)配置方式等同但是結(jié)構(gòu)樣式不同的復(fù)合桁架整固功效開展比對(duì)，分析桁架結(jié)構(gòu)樣式對(duì)整固功效的影響，比選最優(yōu)整固形式。為方便論述，設(shè)定長通底梁三角型復(fù)合桁架為方案Ⅰ，設(shè)定分離底梁三角型復(fù)合桁架為方案Ⅱ，設(shè)定長通底梁K型復(fù)合桁架為方案Ⅲ，設(shè)定分離底梁K型復(fù)合桁架為方案Ⅳ。

整固復(fù)合桁架的目的，重點(diǎn)在于提高各T梁間的橫向接連，降低撓度峰值，令各梁體實(shí)現(xiàn)均衡受力。中載工況下，中梁相關(guān)區(qū)域跨中產(chǎn)生撓度峰值，故中載工況下重點(diǎn)經(jīng)過分析A3檢測(cè)點(diǎn)的撓度削弱率和降低量，來比較各種整固形式的優(yōu)劣；而偏載影響下，在載荷中心的第二片T 梁底部產(chǎn)生撓度峰值，故比選偏載時(shí)的方案，重點(diǎn)分析A2檢測(cè)點(diǎn)的撓度削弱率和降低量。

4.1 中載工況下的整固功效對(duì)比分析

從前述圖、表中發(fā)現(xiàn)，4 種結(jié)構(gòu)樣式在中載工況下的復(fù)合桁架均能夠使橋梁的受力狀態(tài)獲得更為顯著的改善，相應(yīng)的跨中撓度曲線變得更為平緩。在桁架的整固部位，長通底梁桁架的整固功效優(yōu)于分離底梁型桁架的整固功效，如在一排桁架整固時(shí)，長通底梁K型復(fù)合桁架整固下，跨中梁底撓度削弱率約為16%，而該處分離底梁K 型復(fù)合桁架的撓度削弱率約為12%。并且相對(duì)于三角型復(fù)合桁架的整固功效，K型復(fù)合桁架的整固功效更優(yōu)，如兩排桁架整固時(shí)，兩種K型復(fù)合桁架整固下，處于跨中位置的中梁底其撓度削弱率為16%～17%，而兩種三角型復(fù)合桁架整固下，跨中的中梁梁底撓度削弱率僅約為14%。故長通底梁K 型復(fù)合桁架的整固功效最優(yōu)。

表3 跨中各梁底一排桁架整固時(shí)測(cè)點(diǎn)撓度分布（mm）

圖12 一排桁架整固

表4 跨中各梁底兩排桁架整固時(shí)測(cè)點(diǎn)撓度分布（mm）

圖13 兩排桁架整固

表5 跨中各梁底三排桁架整固時(shí)測(cè)點(diǎn)撓度分布（mm）

圖14 三排桁架整固

4.2 偏載工況下的整固功效對(duì)比分析

前述圖表數(shù)據(jù)和曲線狀態(tài)顯示，偏載工況下，種桁架單梁受力狀態(tài)均獲得改善，對(duì)應(yīng)撓度曲線變得更加平緩。與中載相似，長通底梁K 型桁架的整固功效最優(yōu)，并且4種整固方案的整固功效差異比較有限。

表6 跨中各梁底一排桁架整固時(shí)各測(cè)點(diǎn)撓度分布（mm）

圖15 一排桁架整固

表7 跨中各梁底兩排桁架整固時(shí)測(cè)點(diǎn)撓度分布（mm）

圖16 兩排桁架整固

表8 跨中各梁底三排桁架整固時(shí)測(cè)點(diǎn)撓度分布（mm）

長通底梁型桁架的整固功效相對(duì)優(yōu)于分離底梁型桁架的整固功效，如在兩排桁架加荷時(shí)，在跨中A2 區(qū)域，選用長通底梁K 型復(fù)合桁架時(shí)，撓度削弱率約為21.5%，而選用分離底梁K 型復(fù)合桁架時(shí)，其等同區(qū)域撓度削弱率約為18%。

圖17 三排桁架整固

相對(duì)于三角型復(fù)合桁架的整固功效，K型復(fù)合桁架的整固功效更優(yōu)。如在一排桁架整固時(shí)，在跨中A2區(qū)域，選用長通底梁K 型復(fù)合桁架的撓度削弱率約為19%，而選用長通底梁三角型復(fù)合桁架開展整固時(shí)，在跨中A2 區(qū)域撓度削弱率僅約為17%。又如在跨中A2區(qū)域，選用分離底梁K 型復(fù)合桁架的撓度削弱率約17%，選用在跨中A2區(qū)域，分離底梁三角型復(fù)合桁架的撓度削弱率約在14%。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)樣式的復(fù)合桁架，利用有限元ABAQUS 模擬系統(tǒng)建立簡支三跨T 梁橋數(shù)理模擬分析模型，計(jì)算分析4種橫向整固桁架結(jié)構(gòu)對(duì)于橋梁形變功效的影響，可以獲得的結(jié)論是：長通底梁型復(fù)合桁架因?yàn)槠溆懈玫恼w性，可增進(jìn)載荷的橫向傳導(dǎo)，提高橋梁橫向剛度，其整固功效優(yōu)于分離底梁型復(fù)合桁架。數(shù)字模擬結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，相較于三角型復(fù)合桁架，K 型桁架的整固功效更勝一籌，如選用兩排桁架整固，在中載工況下，跨中部位的中梁底撓度會(huì)發(fā)生16%～17%的削弱率，而三角型復(fù)合桁架的該參數(shù)僅有14%的削弱率。故整固功效最為顯著的結(jié)構(gòu)樣式當(dāng)選擇長通底梁K型復(fù)合桁架，其橫向整固的功效相對(duì)更好。