服役狀態下橋梁結構橫向分布系數分析

中圖分類號： .4文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.039

文章編號：1673-4874（2025）01-0130-04

0 引言

隨著我國基礎設施建設的快速發展，預應力混凝土裝配式連續T梁因其優越的結構性能和施工便利性，在橋梁工程中得到廣泛應用。然而，隨著服役時間的增加，橋梁性能受到荷載、環境等因素的影響會發生退化，因此對服役中的橋梁進行準確的安全性能評估顯得尤為重要。荷載橫向分布系數作為衡量橋梁橫向受力分布的重要指標，能夠滿足計算精度的同時簡化空載荷載分配問題，在橋梁的設計和施工中應用廣泛。

張云虎等[1建立了簡支T梁的ANSYS模型，分析了橋梁跨徑和縱梁數量對橫向分布系數的影響；蘇文明等[2建立簡支T梁有限元模型分析了主梁橫向分布系數并與傳統方法計算結果進行對比驗證；郭森等通過MidasCivil軟件建立有限元模型，研究了簡支空心板橋和T梁橋在新舊橋不同拼接方式下的橫向分布系數規律；文彬4通過有限元模型分析了簡支T型梁橋在不同拼寬方式和剛度下的新拼寬主梁的荷載橫向分布系數的變化規律；劉迪愛等采用梁格法分析簡支斜T梁橋荷載橫向分布系數，并與3種常用斜梁橋荷載橫向分布系數計算方法的結果進行對比分析；孫淑梅采用剛接板梁法計算裝配式簡支梁小箱梁橋在正交情況下的荷載橫向分布系數，并與4座不同斜交角度的靜載試驗實測值進行對比；朱坤等采用不同的方法計算了 3× 30m預應力混凝土裝配式連續T梁的橫向分布系數，并對比了各種計算方法的優缺點；張彥玲等8采用梁格法建立了裝配式連續梁橋、斜交橋和曲線橋的有限元模型，研究了各個參數對橫向分布系數的影響規律，并提出了橫向分布系數的建議公式。

上述學者關于橋梁橫向分布系數的研究主要集中在新建橋梁或新舊橋梁拼接方面，而對服役狀態下的橋梁橫向分布系數的研究相對較少。橋梁結構的退化不僅影響其使用壽命，還可能對公共安全構成威脅，因此準確評估服役中的橋梁結構性能至關重要。為此，本文通過采集到的服役中橋梁的撓度等相關數據，通過計算荷載橫向分布系數并對比分析，提出梁格法建立有限元模型時的橫向聯系布置方式的建議，并根據實際模型分析橋梁各控制截面的橫向分布系數變化規律，為類似工程結構提供借鑒。

1工程概況

某高速公路路段經過兩座特大橋，橋梁跨徑組合如表1所示。分別取1號橋左幅第4聯 、右幅第5聯 和2號橋左幅第5聯 （2×40m+27m） 開展荷載試驗。試驗聯橋跨截面均采用 C50 預應力混凝土T梁，先簡支后結構連續，梁高 2.5m. 40m跨徑橋梁在支座截面、1/4跨截面、跨中截面、3/4跨截面各設一塊橫隔板；27m跨徑橋梁在支座截面、1/3跨截面、2/3跨截面各設一塊橫隔板。橋梁設計荷載均為公路一I級。橫斷面圖如圖1所示。

單位：cm

2 有限元模型

梁格法是橋梁結構模擬分析常采用的建模方法，該方法通過等效的縱、橫梁格模擬實際的上部構造，將梁的抗扭剛度和抗彎剛度集中在相鄰的等效梁格之中，模擬計算荷載作用下實際結構產生的撓曲變形和內力結果，尤其適用于本文研究的多梁結構。

基于MidasCivil有限元軟件，根據圖1所示橫斷面尺寸建立T梁截面，采用 C50 混凝土的材料屬性，彈性模量 泊松比 ，密度 ，線膨脹系數 ；分別按照3×40 m和 m的跨徑，橫向2.2m的間距，建立6條3跨的主梁，而后按照1m的間距對梁單元進行離散；按照工程概況說明，在相應位置布設橫隔板，其余位置按照1m間距布置虛擬橫梁，即只有剛度、無重量的梁，主要起到橫向聯系的作用。在各主梁支座截面布置約束，完成有限元模型的建立，如圖2所示。

由于本文需要通過實測撓度分析荷載橫向分布系數，故取正彎矩加載工況如表2所示。

按照實際加載方案，在有限元模型上施加相應荷載，如圖3所示。

3橫向分布系數分析

3.1荷載試驗實測撓度與橫向分布系數

荷載試驗采用4輛40t重的三軸加載車，分別對1號橋按工況 進行加載，2號橋按工況1～4進行加載，測量各控制截面在最不利荷載狀況下的實際撓度值，并由此計算橋梁在該荷載作用下的實際橫向分布系數。各工況撓度實測值如表3所示，橫向分布系數值如表4所示。

單位：mm

通過對表4的橫向分布系數進行分析，發現1號橋在工況1、工況3、工況5中載情況下和工況2、工況4、工況6偏載情況下，試驗聯各跨的橫向分布系數相差較小；同理，2號橋在工況1、工況3中載情況下和工況2、工況4偏載情況下，試驗聯各跨的橫向分布系基本一致。由此表明，T梁橋在橫向布置相同的情況下，各跨在同一加載方式（中載或偏載）下，各控制截面的橫向分布系數基本相同，對跨徑組合形式不敏感

3.2模型的修正及橫向分布系數對比

基于表4的實測橫向荷載分布系數，對原模型的虛擬橫梁抗彎剛度進行修正，以模擬實際情況下的橋梁橫向荷載分布。通過研究發現，中載工況下，虛擬橫梁抗彎剛度設置為零時橫向分布系數理論值與實測值較為吻合，而偏載工況下，虛擬橫梁抗彎剛度的最佳值則應為主梁抗彎剛度的 5% 。值得注意的是，本文虛擬橫梁布置間隔為1m，上述最佳剛度值結論僅適用于該情況。

根據上述結論，分別對中載工況和偏載工況下的模型進行橫向聯系剛度修正，修正前后的橫向分布系數計算值如表5和表6所示。由表5和表6可知，無論是中載還是偏載，模型修正后的橫向分布系數較修正前存在差異，中載情況下表現為修正后的邊梁橫向分布系數減小，中間梁片橫向分布系數有所增強，而偏載情況下，1～3號梁橫向分布系數增大 號梁橫向分布系數減小。為進一步直觀分析整體情況，繪制修正前后的平均值變化趨勢如圖4所示。

圖4中的虛線表示原模型在各加載方式下的橫向分布系數，實線為模型修正后的橫向分布系數。由圖4可知，模型修正后的橫向聯系整體表現更弱。由于存在橫隔板，故中載情況下橫向分布系數由橋梁中心線向兩側遞減，相應表現為橫隔板下撓狀態；偏載情況下橫向分布系數由偏載的一側向另一側線性遞減，相應表現為橫隔板傾斜狀態。

3.3修正后的橫向分布系數理論值與實測值對比

進一步對比分析修正后的橫向分布系數和實測值，根據表 的橫向分布系數計算結果，繪制修正后的橫向分布系數對比曲線，如圖5所示。

圖5中的虛線表示模型調整后的橫向分布系數理論值，實線表示各工況下的橫向系數分布實測值。考慮1號橋左邊跨的中載工況（即工況1）的測量數據異常，這里剔除1號橋工況1的情況進行整體分析。由圖5可知，各工況下的實測值與模型修正后的理論值較吻合，說明模型修正后的橫向分布系數理論值更貼合工程實際，且該修正方式對不同跨徑組合形式下的各跨主梁均適用。

綜上，采用梁格法對橋梁建模分析時，應區分中載情況和偏載情況進行橫向聯系的布置，以確保計算結果更符合工程實際。在類似橋梁結構分析時，建議在中載情況下設置虛擬橫梁抗彎剛度為0，偏載情況下設置虛擬橫梁抗彎剛度為主梁抗彎剛度的 5% ，間隔為1m。此外，由于荷載試驗的加載方案是對橋梁正常運營狀態下的荷載模擬，故表 中修正后的橫向分布系數均值可為工程實際提供參考。

4結語

本文基于某高速公路路段兩座橋梁的荷載試驗，對橋梁實際運營狀態下的荷載橫向分布系數進行了分析，討論了采用梁格法建立類似橋梁有限元模型的橫向聯系布置方式以及橫向分布系數的變化規律。研究結果表明：

（1）T梁橋橫向布置相同的情況下，各跨控制截面的橫向分布系數基本相同，即對跨徑組合形式不敏感。

（2）采用梁格法對橋梁建模分析時，應區分中載情況和偏載情況進行橫向聯系的布置，在類似橋梁結構分析時，建議在中載情況下設置虛擬橫梁抗彎剛度為0，偏載情況下設置虛擬橫梁抗彎剛度為主梁抗彎剛度的 5% ，間隔為1m。

（3）按照文中建議布置橫向聯系后，各工況下的橫向分布系數實測值與理論值較吻合，表明該布置方式對不同跨徑組合形式下的各跨主梁均適用。

參考文獻

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[5]劉迪愛，袁建偉，萬航.簡支斜T梁橋荷載橫向分布研究[J].公路與汽運，2019（1）：133-135，139.

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