大纵坡预制T梁墩梁连接方法静力性能数值分析

李　彪， 郭　攀

(1.湖南省永吉高速公路建设开发有限公司， 湖南 吉首　416000；　2.郑州大学 土木工程学院， 河南 郑州　450001)



大纵坡预制T梁墩梁连接方法静力性能数值分析

李彪1， 郭攀2

(1.湖南省永吉高速公路建设开发有限公司， 湖南 吉首416000；2.郑州大学 土木工程学院， 河南 郑州450001)

[摘要]大纵坡是山区高速公路预制装配T梁桥的常见现象，其导致在低标高处的伸缩缝破坏严重，而改变墩梁的连接方式能解决该问题。运用有限元分析方法，研究了不同墩梁连接方式时的静力性能，并与常规方法进行了比较分析。结果表明，在大纵坡情况下，采用墩梁固结形式可有效的解决上述问题。一联中墩梁固结一个桥墩，是较好的处理方式。

[关键词]T梁桥； 大纵坡； 墩梁固结； 墩梁简支； 静力性能； 有限元

1概述

在山区高速公路桥梁设计中，中小跨径的桥梁多采用标准化、装配式的预制T梁结构[1-6]。但因山区高速路线起伏明显，经常出现大纵坡桥梁。桥梁纵坡>2.5%时，称之为大纵坡桥梁。大纵坡桥梁在标高较低位置的伸缩缝极易发生破坏[7-13]，同时支座极易发生剪切破坏[14-18]。必须对此进行大纵坡桥梁墩梁连接方式深入系统的研究，以为山区桥梁设计提供指导。

有关大纵坡桥梁墩梁连接方式，一些学者做了一系列有意义的研究。谢亚宁等[19]对T 梁连续刚构通用图做了的分析；倪全等[20]对6孔一联的25 mT梁，选取3种不同结构体系进行了分析；黄萍[21]对一座7孔30 mT梁墩梁固结处的受力进行了局部有限元分析；霍学晋等[22]对长联大跨度铁路桥在不同墩梁连接方式下地震反应特性做了对比分析。

然而，已有的工作重点研究着重于T梁连续刚构桥的分析以及对该桥型的局部分析，对多联T梁桥不同的连接方法的静力分析鲜有报道。本文利用有限元分析4孔一联40 mT梁在不同墩梁连接方法条件下，分析桥墩的受力及位移变化规律，进而对该类桥梁的研究具有重要的现实意义。

2工程概况、有限元建模及计算工况

2.1工程概况

某高速公路大桥其中一联4×40 mT梁，桥宽12 m，桥面纵坡4%，设计荷载等级为公路I级。结构横向共由5片T梁组成，T梁采用C50砼，间距2.4 m，梁高2.5 m，先简支后连续，(从左至右，桥墩依次编号为1号、2号、3号、4号、5号)。下部立柱高度40 m，采用C40砼，2.0 m+2.2 m两种直径形式。嵌岩基桩采用C30砼，2.5 m直径。桥型布置立面如图1所示。支座采用球形支座，常规支座布置形式如图2所示。

图1　某高速公路大桥40 mT梁桥型立面图Figure 1　40 mT beam bridge elevation of a certain expressway

图2　某高速公路大桥支座布置图Figure 2　The bearing arrangement diagram of a certain 　　　expressway bridge

2.2有限元建模

有限元模型采用通用大型有限元程序MIDAS CIVIL建模，T梁、盖梁、立柱等结构均根据实际尺寸模拟，模型采用梁单元，共剖分为873个单元，705个节点。约束条件根据所采用连接方式进行等刚度模拟。并按施工顺序及荷载状况进行模拟计算。桥梁结构有限元分析模型见图3。根据分析模型上部结构计算结果，T梁受力及变形均满足设计图纸的要求，从而验证了本文采用的分析模型是正确的。

图3　桥梁结构有限元模型Figure 3　The finite element model updating of bridge structure

本文计算假定为： ①不考虑T梁横隔板作用。 ②不考虑桥面横坡影响。 ③基桩为嵌岩桩，不考虑桩土作用。

2.3计算工况

墩梁连接方式分以下5种工况进行分析：

工况1： 墩梁不固结，采用球形支座连接；

工况2： 固结3号桥墩，即固结中墩，其余桥墩支座约束条件不变；

工况3： 固结2号、3号两个桥墩，即连续固结两个中墩，其余桥墩支座约束条件不变；

工况4： 固结2号、4号两个桥墩，即间隔固结两个中墩；

工况5： 固结2号、3号、4号三个桥墩，即固结全部中墩。

3计算结果与分析

3.1刚度分析

桥墩在施工过程及运营过程中均会产生位移，在高墩、大纵坡桥梁中墩顶纵向位移尤为突出。若位移量过大，对施工的安全性、结构的稳定性以及行车的舒适性均有较大的影响。图4给出5种工况下桥墩墩顶的纵向位移变化趋势图。

图4　墩顶位移曲线图Figure 4　The displacement curve charts of pier crown

工况1时全桥墩顶的纵向结构位移量最大，墩顶位移最大值出现在2号墩，最大值达到12.24 cm；工况2时各个桥墩墩顶纵向位移均明显减小。墩顶纵向位移量随着坡度方向成递减趋势；工况3时全桥墩顶的纵向结构位移量最小；工况4和工况5时墩顶的纵向位移基本一致，但比工况3的墩顶纵向位移量大。由墩顶纵向位移分析可知，工况3，即连续固结两个中墩时全桥墩顶的结构位移量最小。

3.2强度分析

3.2.1墩顶弯矩

墩梁连接方式不同，桥墩受力方式也随之变化。墩顶设置支座的桥墩，墩顶弯矩较小，而墩梁固结的桥墩墩顶不仅承受上部结构传递来的轴力、剪力，还承受较大弯矩作用。图5给出5种工况下桥墩墩顶的弯矩变化趋势图。

图5　墩顶弯矩曲线图Figure 5　The moment curve charts of pier crown

工况1时全桥墩顶的弯矩值最小，墩顶弯矩值随着坡度方向成递减趋势；工况2时固结墩的墩顶弯矩值明显增大，相邻桥墩墩顶弯矩值明显减小；工况3时两个固结墩的墩顶弯矩值明显增大，上坡处固结墩的墩顶弯矩值是下坡处固结墩的2.1倍，且相邻桥墩墩顶弯矩值明显减小；工况4和工况5时墩顶的弯矩值基本一致。

3.2.2墩底弯矩

墩底弯矩是在结构配筋时重要的设计指标。图6给出5种工况下桥墩墩底的弯矩变化趋势图。

图6　墩底弯矩曲线图Figure 6　The moment curve charts of pier bottom

工况1时全桥墩底的弯矩值最大，墩底弯矩值随着坡度方向成递减趋势；工况2时固结墩的墩底弯矩值明显增大，相邻桥墩墩底弯矩值明显减小；工况3时两个固结墩的墩底弯矩值明显增大，相邻桥墩墩顶弯矩值明显减小。上坡处固结墩的墩顶弯矩值比下坡处固结墩的增大31.5%，比工况2的固结墩增大7.8%；工况4和工况5时墩顶的弯矩值基本一致。由墩底弯矩分析可知：工况3，即连续固结2个中墩时的墩底弯矩值最大，相应配筋量也最大。

3.3稳定性分析

T梁桥墩是典型的压弯构件，其稳定性问题属于典型的极值点失稳，即结构在初始平衡状态下，随着荷载的增加，在应力比较大的区域出现塑性变形，结构的变形随之增大，进而导致结构破坏。由于现有公路桥梁规范中并没有对成桥稳定性特征值做相关规定，因此参照规范中对拱桥和斜拉桥结构稳定安全度为4的规定[23]，做为本文稳定安全度的限值。表1给出5种工况下结构成桥阶段一阶模态对应的最小稳定特征值。

表1 各工况稳定特征值Table1 Theeigenvalueofstabilityofeachworkingstate工况稳定特征值一阶失稳模态15.429纵桥向面内失稳29.901纵桥向面内失稳39.917纵桥向面内失稳46.010纵桥向面内失稳510.046纵桥向面内失稳

工况1的稳定特征值为5.429，是5个工况下最不利的工况；工况四的稳定特征值6.010，较工况1略大；工况2、工况3与工况5的稳定性相近，特征值均大于9，工况5的特征值稍大。由稳定性分析可知，工况1～工况5的最小稳定特征值均大于4，均满足稳定性要求。但各工况稳定特征值有较大区别，工况1与工况4的稳定安全度均偏小，不建议采用，工况2、工况3与工况5的稳定安全度区别不大，结构具有较好的稳定性。

4结论

① 墩梁固结后，T梁的纵向位移明显减小，且结构稳定安全度明显提高。

② 一联中固结3个桥墩对改善结构位移内力的效果不明显，不建议采用固结≥3个桥墩。

③ 一联中间隔固结2个桥墩比连续固结2个桥墩的位移、内力均明显增大，且结构稳定安全度偏

低，不建议间隔固结桥墩。

④ 固结1个桥墩，连续固结2个或3个桥墩时对结构稳定安全度影响不大。

⑤ 一联连续固结2个桥墩的位移比固结1个桥墩明显减小，但内力明显增大，配筋量也随之增大。

[参考文献]

[1]王威.东西高速公路山区桥梁基础设计方案分析[J].中外公路，2009(04)：340-342.

[2]姚正中.山区连续刚构桥选型及设计[J].中外公路，2011(04)：166-169.

[3]葛胜锦，王学军.山区高速公路桥梁的设计方法与实践[J].公路，2008(09)：237-244.

[4]祝敏方.山区高速公路桥梁设计探讨[J].公路，2003(05)：33-37.

[5]刘榕，刘海波，龙海滨.山店江大桥高墩连续刚构桥设计与关键技术[J].公路工程，2013(02)：125-128.

[6]黎立新，何智勇.高速公路山区桥梁选型及安全风险评估[J].公路，2011(07)：145-148.

[7]邹友泉.赣粤高速公路桥梁伸缩缝破坏模式及原因浅析[J].公路，2015(02)：90-93.

[8]郭开礼.沙洋汉江公路桥引桥伸缩缝装置的改造[J].中南公路工程，1992(03)：27-31.

[9]彭大文，林志平，洪锦祥.无伸缩缝桥梁的研究与实践[J].公路，2006(08)：53-62.

[10]陈建然.公路桥头及桥梁伸缩缝跳车的产生与防治[J].水运工程，2007(10)：110-117.

[11]蒋自雄.桥梁伸缩缝设计与施工[J].桥梁建设，1998(03)：30-32.

[12]孙正峰.大位移桥梁伸缩缝耦合动力学研究[J].公路工程，2014(02).

[13]常亮.某自锚式悬索桥配重跨静载试验分析[J].森林工程，2014，30(2)：135-137.

[14]吴玉财，张勇.广东省公路桥梁板式橡胶支座病害调查分析[J].铁道建筑，2014(06).

[15]周红青.南京长江大桥正桥1号墩支座病害原因分析[J].铁道标准设计，2003(04).

[16]韩立军.南京长江大桥钢桁梁纵梁活动端支座病害整治[J].铁道标准设计，2003(02)：28-29.

[17]魏孟春，乔建刚，王文欣.温度梯度对施工中钢箱梁支座反力的影响分析[J].湖南交通科技，2015(3)：100-102.

[18]徐闯.大吨位锚下局部应力的试验研究[J].森林工程，2015，31(4)：140-143.

[19]谢亚宁，杨耀铨，雷丽萍.丹本高速公路T梁连续刚构通用图设计以及该桥型的理论分析[J].华东公路，2003(02)：40-45.

[20]倪全，宋连林，饶中.装配式T梁连续刚构桥设计[J].公路，2008(07)：198-201.

[21]黄萍.T梁连续刚构桥梁墩梁固结节点模型有限元分析[J].公路，2013(08)：75-79.

[22]霍学晋，高玉峰，李晓斌.不同墩梁连接方式的长联大跨度铁路桥地震反应特性对比分析[J].铁道标准设计，2010(10)：51-54.

[23]蒋银萍.刚构桥中的高墩计算研究[J].中国水运，2007(09)：88-89.

Analysis of the Consolidation on the Pier in the Precast T Beam

LI Biao1， GUO Pan2

(1.Hunan Yongji Highway Construction and Development Co.， Ltd.， Jishou， Hunan 416000， China；2.School of civil Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001， China)

[Abstract]The slope bridges are often appeared in the standard and prefabricated T beam structure design of mountainous highway.As a result.the expansion joints，in the elevation of the lower position，are offten squeezed out.But the problem can be solved by changing the connecting mode of the pier beam.In this paper，the static performance are analyzed by using the finite element method.when the connecting mode of the pier beam are changed.Also，compared with those of common practice means.The results show that the above problem can be solved effectively by using the pier beam consolidation in the case of large longitudinal slope.

[Key words]t beam bridge； large longitudinal slope； pier beam consolidation； simple supported beam； static performance； finite element

[中图分类号]U 448.23+1

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0205—03

[作者简介]李彪(1971—)，男，湖南长沙人，工程师，主要从事公路工程建设管理工作。

[收稿日期]2016—01—15