基于荷载试验的装配式T梁桥横向分布计算_钱若霖.pdf

试试试试试试试试试试试试试试试试试试验验验验验验验验验验验验验验验验验验研研研研研研研研研研研研研研研研研研究究究究究究究究究究究究究究究究究究文章编号:1009-9441(2023)01-0006-04基于荷载试验的装配式 T 梁桥横向分布计算 钱若霖,苏佩(陕西工业职业技术学院 土木工程学院,陕西 咸阳 712000)摘 要:为了研究 T 形梁桥主梁受力分布情况,分别基于既有横向分布理论和在役桥梁荷载试验计算分析其横向分布的特征与区别,以一孔 40 m 跨径桥梁为研究对象,分别采取刚性横梁理论计算方法、有限元法和荷载试验下挠值反算方法计算了依托桥梁工程的荷载横向分布系数,结果表明:3 种计算方法下桥梁荷载横向分布规律基本一致,但实测横向分布系数小于刚性横梁法理论和有限元计算结果,且力的分布更加趋于均匀,这是因为实桥形成整体受力体系,荷载传递效率更高,能够尽可能均匀地分布开来,采用理论方法和有限元法计算 T 梁桥的荷载横向分布系数结果具有更高的安全储备。关键词:刚性横梁法;荷载试验;T 梁桥;横向分布中图分类号:U 443.3 文献标识码:A引言在中小跨径桥梁中,装配式多梁式桥梁结构由于其预制安装便捷得到广泛使用,包括多梁式空心板、小箱梁和 T 梁等1-2,其中 T 梁桥因其受力明确和预制方便得到桥梁设计师的青睐3。在设计过程中,结构的验算往往离不开对荷载横向分布的考虑,通过最不利情况下的车辆布载计算出每片梁的荷载横向分配值,从而确保梁体的承载力满足要求和提高桥梁的可靠度4-5。美国标准中的横向分布计算方法采用多参数的拟合,考虑主梁中距、跨径、桥面板厚度和抗弯刚度等6-7。我国常用的横向分布计算方法有杠杆原理法、铰接板(梁)法、刚接板(梁)法、刚性横梁法和正交异性板法(G-M 法)等8-9。陈勇军等10针对某20 m 简支 T 梁桥,分别采用偏心压力法、铰接梁法、刚接梁法、G-M 法和有限元法计算了其横向分布系数,研究表明 G-M 法与有限元法结果更为接近。韦立林等11根据荷载试验结果反算横向分布系数,对标准进行修正,表明实测值计算要考虑车道数的扩大系数。刘其伟等12对比铰接板法,分析对比了梁格法建模和实体单元建模的横向分布计算的适用性,研究发现实体单元法计算结果更加精确,但建模更为复杂。李淑芬等13以某 T 梁桥为依托工程,分析了几种横向分布计算方法的差异与关联,总结了各方法的优势和应用领域。现拟结合理论方法和有限元梁格法,与荷载试验实测数据对比分析,进一步研究基于荷载试验的装配式 T 梁桥横向分布系数值的计算方法和特点,为同类型桥梁承载力的验算和荷载试验方案的制定提供借鉴。1 桥梁概况试验桥梁为右幅单幅桥梁,中心桩号 YK9+440,全长为 954.80 m。全桥共 25 跨,跨径组合为440 m、440 m、440 m、440 m、230 m、330 m和 440 m。桥梁第 1 联横向布置为 0.50 m 护栏、11.25 m 行车道和 0.50 m 护栏。上部结构采用预应力钢筋混凝土 T 梁,混凝土等级为 C50,下部结构分别为柱式墩和桩基础。该桥试验选择第 1 联第 3、4 跨进行荷载试验。试验大桥纵断面布置图如图 1 所示,主梁跨中横断面示意图如图 2 所示。图 1 第 1 联立面示意图2 横向分布理论装配式 T 梁桥主要由 T 形主梁、横隔板(梁)和横向连接构造等结构组成,横向连接构造多采用湿接缝,共同形成上部主要承重构件,主梁通过湿接缝6Research&Application of Building Materials基金项目:陕西工业职业技术学院院级科研基金资助项目(2022YKYB-017)。DOI:10.13923/14-1291/tu.2023.01.012图 2 第 1 联主梁跨中横截面示意图联结成整体,再通过横隔板和桥面铺装得到加强,形成空间整体结构。当外部活载作用于某主梁上时,传力路径通过桥面板,由横隔板及湿接缝等结构纵横向传递给其他 T 梁,荷载再沿竖向传递分配给各片 T 梁,通过支座传递给下部墩台和基础。在这个传力过程中,横向分布系数是用来衡量荷载分配传递到各片主梁的程度,从而影响内力的分布。从理论上来说,桥梁是一个空间整体结构物,无论沿横向、纵向都会传递荷载,因而采用影响面来计算荷载的纵横向分布,数学表达式见式(1):S=p(x,y)(1)式中:S 主梁某处剖切面内力值;p 外部荷载;影响线系数,用关于纵横向坐标 x、y 的双值函数来表示。该方法计算较为复杂,为简化计算,将空间结构计算转化为平面问题来处理,引入荷载横向分布系数,即把影响线系数 拆分成两个纵横向单值函数的乘积,即(x,y)=1(x)2(y)。刚性横梁法为装配式 T 梁桥最常用的理论计算方法,该理论的前提是假设各梁之间横向连接刚度无穷大且各梁在荷载作用下的变形呈线性。在计算过程中,可以将主梁的线性变形拆解为由通过截面扭转中心的单位竖向力作用下产生的下挠与上单位扭矩作用下的扭转变形,即见式(2):ki=Iini=1IiakaiIini=1ai2Ii(2)式中:Ii 第 i 片主梁的截面抗弯惯矩;ITi 第 i 片主梁的截面抗扭惯矩;ak 第 i 片主梁形心到桥梁截面扭转中心的水平距离;ai 外荷载的偏心距离。考虑抗扭的修正系数计算见式(3):=11+Gl212EITia2iIi 1(3)竖标值计算公式修正见式(4):ki=Iini=1Ii akaiIini=1ai2Ii(4)3 试验过程3.1 准备工作对桥跨结构进行全面外观检查,荷载试验前还需完成以下工作:(1)根据荷载试验方案,按照标准加载车尺寸和质量对试验荷载车辆检查并装载过磅;随后清理桥面,用粉笔标计各工况加载位置。(2)按照荷载试验方案标记并粘贴应变片。应变片的粘贴位置应先用砂纸进行打磨,然后清洗干净;在桥墩附近布设温度补偿片以消除温度的影响。(3)导线与仪器连接应牢固可靠,避免断路。待连接完成后,进行调试。再次检查各个应变片及棱镜,确保了挠度和应变测量数据可靠。(4)预加载阶段,检查确保应变计和全站仪等设备工作正常,无误后按试验方案进行试验。3.2 荷载试验试验工况选取边跨 1/2 跨中截面最不利位置进行布载,横桥向采用三列车对称中载进行布置,试验标准车型和横桥向中载布置如图 3 和 4 所示。图 3 试验用标准车车型图 4 横桥向中载示意图每 1 次加载过程中,车辆开到指定位置后,停车后持荷 510 min,待数据稳定后进行打印并记录。卸载后等待510 min 以恢复弹性变形,再进行下一级加载以防止塑性残余变形影响试验精度。试验过程中,应实时监控跨中截面的下挠值与应变值,同时7建材技术与应用 1/2023对比理论值使试验值尽量满足校验系数的要求,剔除异常结果。试验过程中未出现结构异常,确保加载试验安全。4 试验结果分析4.1 传统刚性横梁法计算横向分布系数刚性横梁法又称偏心压力法,在荷载 P 的作用下各梁的横向变形呈一条直线,将该变形分解为单位竖向力产生挠度与单位扭矩的扭转变形。偏心荷载下竖标值计算见式(5):ki=Iini=1IiakaiIini=1ai2Ii(5)根据试验桥梁截面参数特性,分别计算求得各梁影响线,并按照荷载试验中载方式进行布车,求得各主梁横向分布系数值。以 1 号边梁计算为例进行说明。根边梁 I1=I5=0.196 5 m4,中梁 I2=I3=I4=0.186 6 m4,梁间距为 2.463 m。代入式(5)计算各梁影响线竖标值,绘制 1 号梁影响线并按三列车进行布载,如图 5 所示,计算 1 号梁该布载工况下的横向分布系数 m 见式(6):m=12i=12(0.529+0.384+0.279+0.133+0.028-0.117)=0.618(6)考虑结构的对称性,同理,将计算三片主梁的影响线竖标值及横向分布系数计算结果见表 1。图 5 1 号梁影响线表 1 理论方法各梁影响线竖标值梁号12345横向分布系数10.6100.4080.2060.004-0.1980.61820.3880.2920.1960.1000.0040.88730.1960.1960.1960.1960.1960.5884.2 有限元仿真计算根据依托桥梁尺寸参数建立 MIDAS/CIVIL 桥梁模型,采用梁格法即虚拟横梁模拟各梁之间的横向连接,虚拟横梁材料容重设置为 0,不计其自重。主梁材料为 C50 混凝土。施加节点荷载于各梁跨中节点处,建立 5 种工况,分别提取各工况下 5 片 T梁跨中挠度值,中梁跨中集中力荷载作用下挠度云图如图 6 所示,并利用式(7)计算每片梁影响线竖标值,结果见表 2。=fi5i=1fi(7)式中:反算竖标值;f 单一工况下各梁挠度值。图 6 中梁集中力荷载下挠度云图表 2 有限元法各梁影响线竖标值梁号12345横向分布系数10.6080.4110.1950.002-0.2160.60220.2180.3550.2240.1180.0850.87530.0880.2280.3670.2270.0890.6214.3 荷载试验结果反算横向分布系数将采集的对应试验荷载中载工况作用下各 T梁挠度测点的下挠值见表 3,挠度向下为正,向上为负。按式(8)反算出各梁的横向分布系数值。m=nfi5i=1fi(8)式中:f 各梁挠度值;n 车道数。由表 3 可以看出,跨中截面中载工况下,各梁的横向分布系数理论值和有限元法计算结果均与实测值变化趋势一致,荷载作用位置靠近的梁的荷载横向分布系数偏大;各片梁实测反算的横向分布系数8Research&Application of Building Materials 表 3 实测跨中截面挠度值和横向分布系数梁号1 号2 号3 号4 号5 号5i=1跨中实测挠度/mm6.36.46.86.66.132.2实测横向分布系数 0.5870.5960.6340.6150.568/有限元法0.6020.8750.6210.8750.602/理论方法0.6180.8870.5880.8870.618/相差不大,分布比较均匀,这是因为实桥各片梁之间除湿接缝外还有截面配筋、横隔板和桥面铺装等构造,大大增加了实桥的横向连接刚度,形成统一受力整体结构,荷载能够较均匀分布于各梁,有效避免单梁受力现象;各片梁理论计算值除中梁外都大于实测值,这是因为桥梁的安全冗余度较高,各梁之间联结牢固,横向受力更加均匀。5 结论5.1 实测横向分布系数比刚性横梁法理论计算结果小且更加趋于均匀,这说明实桥形成整体受力体系,荷载分布更加均匀,按照理论方法计算设计具有更高的安全储备。5.2 根据实桥荷载试验结果反算装配式 T 梁桥的横向分布系数,应考虑车道数的影响。理论方法和有限元法与实桥计算结果的误差主要是由于未考虑或未充分考虑横隔板、铺装层以及配筋等构造对于桥梁整体刚度的贡献作用。参考文献:1 刘明慧.板刚度损失对空心板桥荷载横向分布系数的影响J.中外公路,2019,39(1):78-82.2 王渠,吴庆雄,陈康明,等.拼宽空心板桥荷载横向分布计算方法J.中国公路学报,2019,32(7):57-65.3 夏叶飞.预应力混凝土简支 T 梁桥的承载能力实桥试验分析研究D.南京:东南大学,2006.4 蒋尚平.连续 T 梁桥荷载横向分布有限元与荷载试验对比分析J.城市道桥与防洪,2020(11):54-57,12.5 杜慧.连续 T 梁桥荷载横向分布计算方法及其试验研究D.西安:长安大学,2013.6 American Association of State Highway and Transportation Officials(AASHTO)S.Standard specifications for highway bridges Washington,D1 C1,1996.7 American Association of State Highway and Transportation Officials(AASHTO)S.LRFD