預應力混凝土T梁工作性能及抗彎承載力分析

穆英才

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

裝配式T梁由于可以提高出圖質量和出圖效率，推進橋梁建設管理專業化、施工標準化、管理精細化，在我國高速公路上大量使用。目前國內很多單位都在組織人員進行滿足新規范《公路橋涵通用設計規范》(JTG D60—2015)T梁標準圖設計，但對T梁工作性能及抗彎承載力分析的研究較少。橫隔梁在裝配式T形梁中起著保證各根主梁相互連成整體的作用，它的剛度愈大，橋梁的整體性愈好，在荷載作用下各主梁就能更好的協同工作，以橫隔梁為影響因素，探究其對T梁力學行為的影響。不設橫隔梁或設置較少的橫隔梁，造成橋梁橋跨結構橫向剛度有所降低，較易出現翼板接縫處的縱向裂縫，梁肋裂縫也比相對較多，給后期養護維修帶來困難。因此，橫隔梁的設置對公路預應力混凝土T梁工作性能及抗彎承載力尤為重要。

本論文作為課題“裝配式T梁標準化設計關鍵技術研究”的一部分，通過研究橫隔梁設置個數對T梁工作性能及抗彎承載力影響，對T梁通用圖編制和優化提供指導。

1 工程概況

依托“裝配式T梁標準化設計關鍵技術研究”課題，以40 m跨徑簡支T梁為研究對象，路基寬度25.5 m(單幅橋梁寬度12.5 m)，采用五片主梁，梁高2.5 m，梁間距2.525，翼板端部厚0.2 m，根部厚度0.29 m，預制邊梁寬2.05 m，中梁寬1.7 m，濕接縫寬0.825 m，邊梁懸臂1.2 m。橫斷面布置及T梁斷面見圖1～圖3。

圖1 計算模型橫斷面圖(單位：mm)

圖2 邊梁截面(單位：mm)

圖3 中梁截面(單位：mm)

2 計算模型

梁格法作為一種空間計算方法，就是將上部結構用一個等效的空間構架來模擬，基本概念清晰，易于理解應用，較其他空間分析方法更為實用。本文采用midas有限元分析軟件按照空間梁格結構剛度等效的原則建立40 m簡支T梁有限元模型，模型共有363個節點，529個單元，分析時忽略支座摩擦的影響，汽車荷載作用位置參照《公路橋涵通用設計規范》(JTG D60—2015)規定執行，建立模型如圖4所示。根據橋梁空間理論，荷載在(不同道數橫隔梁)各主梁間進行橫向布置時，撓度或內力的變化能夠反映出橫向分布系數的大小變化趨勢，即荷載的偏載和中載作用下的撓度或內力的變化可以看出各主梁的受力狀態和工作性能，同時也反映了邊中梁實際的橫向分布系數的大小。通過探索撓度或內力的變化來確定合理的橫隔板道數，為理論橫向分布系數計算提供橫梁剛度假定支撐。

圖4 梁格模型

3 橫隔梁對T梁工作性能影響

為分析研究橫隔梁設置個數對T梁跨中撓度的影響，以邊梁和中梁為研究對象，分別研究橫隔梁設置個數為2～9道橫隔梁(其中2道橫隔梁為設置端橫隔梁)時邊梁和中梁跨中撓度的變化情況，如圖5、圖6所示。

圖5 邊梁跨中撓度

圖6 中梁跨中撓度

從圖5、圖6中可以看出，在設置橫隔梁道數較少時，單梁(邊梁、中梁)受力明顯，即各片主梁的工作性能與相鄰主梁的聯系較弱、受力較為集中，其他各主梁無法共同分擔受力，T梁單梁空間工作性能明顯，這與橫向分布系數理論分析計算存在較大的誤差；隨著橫隔梁道數的增加，各主梁間的橫向聯系得到加強，形成較大的橫向剛度，為各主梁提供豎向和橫向支撐，這與理論橫向分布系數分析的假設較為接近，從而使主梁空間協同工作性能有明顯提高。

從圖5、圖6中也可以看出，隨著橫隔板個數的增加，主梁跨中撓度變化逐漸變小，當設置7道橫隔板(包含端橫隔板)時，邊中梁跨中撓度變化趨于緩和，說明再次增設橫隔板對主梁影響較小，此時橫隔板設置個數已相對合理，橫向剛度(由橫隔板形成)能較好的約束主梁變形，提供豎向和橫向支撐。即設置合理的橫隔梁能明顯減小主梁撓度，提高裝配式預應力混凝土T梁的工作性能。另一方面，隨著橫隔梁道數增加，邊中梁撓度趨于穩定時，此時橫向分布系數也與理論計算更為靠近，多道橫隔梁道數形成的橫向剛度也接近剛性橫梁法或者剛接板梁法的橫向剛度要求。

4 橫隔梁對T梁抗彎承載力影響分析

為進一步分析研究橫隔梁設置個數對主梁跨中內力的影響，同樣以邊中梁為研究對象，分別研究橫隔梁設置個數為2～9道橫隔梁(其中2道橫隔梁為設置端橫隔梁)時邊中梁跨中彎矩的變化情況，如圖7、圖8所示。

圖7 邊梁跨中彎矩

圖8 中梁跨中彎矩

從受力角度來看，設置橫隔梁有助于改善主梁內力分布。一方面受荷邊中梁在跨中位置的峰值內力降低較為明顯，跨中設置1道中橫隔梁后，跨中彎矩降為81%；設置2道中橫梁后，對應位置彎矩降為72%；當設置7道橫隔梁(包含端橫隔梁)時，跨中彎矩對應位置降為54%；當設置8、9道橫隔梁時跨中彎矩降幅明顯減小，說明設置7道橫隔梁已相對合理。另一方面，設置橫隔梁后主梁跨中彎矩明顯減小，提高了主梁抗彎承載力富余度，這對配置固定的預應力鋼束(抗彎承載力已定)主梁來說，較多的橫梁能夠改善主梁受力，提高主梁的安全可靠度。從另外一個角度來講，對于出現病害或需要加固的此類橋梁來說，增設橫隔梁同樣能夠有效改善主梁受力。

5 結 論

橫隔梁的設置能夠對T梁的工作性能和抗彎承載力有明顯影響。較少的橫隔梁使得各主梁單梁受力明顯(空間工作性能明顯)，各主梁單梁工作性能突出，分擔了相對較多的上部車道荷載，即裝配式預應力混凝土T梁作為整體受力的性能不能充分發揮；隨著橫隔梁道數的增加，主梁跨中撓度和彎矩均逐漸減小，即較多的橫隔梁有效的提高了橋梁的整體工作性能，從而提高了裝配式預應力混凝土T梁實際抗彎承載能力，此時裝配式預應力混凝土T梁實際工作性能與理論分析更為接近。

橫隔梁的設置增強了結構的橫向聯系，對裝配式結構的整體性提高有很大幫助，但橫隔梁并不是越多越好，當橫隔梁道數大于7道時，各主梁受力工作性能改善不明顯，故裝配式預應力混凝土T梁在設計時應設置合理道數的橫隔梁，避免設置過多的橫隔梁，給后期施工、運營和維護帶來不必要的麻煩。

研究結論同樣可用于指導裝配式預應力混凝土T梁橋維修加固設計，特別是早期部分橋梁由于設置了較少的橫隔梁甚至不設置橫隔梁，經過多年的運營后，出現了一些病害，從加強整體受力角度來看，增設橫隔梁可以有效提升裝配式結構各主梁的抗彎承載能力，改善裝配式結構的空間受力性能。