装配式T型梁桥空间计算模型探讨

于品德张 代刘海宽

（1.公路桥梁安全检测与加固技术交通运输行业研发中心，河南 郑州 450006；

2.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450006）

装配式T型梁桥空间计算模型探讨

于品德1，2张 代1，2刘海宽1，2

（1.公路桥梁安全检测与加固技术交通运输行业研发中心，河南 郑州 450006；

2.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450006）

本文以某大桥为工程实例，利用Midas/civil 2006，分别建立实体单元模型、梁板单元组合模型及梁格模型，对比分析其在对称荷载和偏载作用下主要截面位移和应力。结果表明：梁格模型是装配式T型梁桥合适的计算模型。

装配式T型梁桥；有限元模型；梁板实体模型；梁板组合模型；梁格模型

1 T型梁桥常用计算方法

装配式T型梁桥，因其主梁可以标准化预制、施工方便、造价便宜而在桥梁建设中占有较大的比例。该桥型横向由多片T梁组成，横向主要通过横隔板连接，形成空间整体结构。

在桥梁设计及运营期安全评估中常用的受力分析方法有空间结构分析和平面结构分析。其中，平面结构分析通过荷载横向分布的概念将空间问题转化为平面问题进行分析。空间计算模型真实模拟实际结构，计算结果较精确［1］，常用的方法主要有实体单元法、板壳单元法、梁格法等。实体单元法及板壳单元法常用于结构的精细化分析及结构非线性分析［2，3］。梁格法的主要思想是用一个等效的梁格来代替上部结构，把分散在板上每一区段内的弯曲和抗扭刚度集中在最邻近的等效梁格内，纵向刚度集中在纵向梁格内，横向刚度集中在横向梁格内。梁格法在不同截面的梁桥，如T梁桥、空心板桥以及箱梁桥中均有较多应用［4-6］，可用于不同方面的计算分析［7，8］。有限元计算的关键是模型简化是否准确，不同人员有不同的理解。本文针对装配式T型梁桥的结构特点，以50 mT梁桥为例，探讨实体模型、梁板组合模型及梁格模型之间的差异。

2 工程概况及有限元建模

2.1 工程概况

某T桥设计荷载为公路-I级，跨径50m，桥宽12m，由5片梁组成，梁高2.7m，宽2.4m，共7道横梁，横梁间距为8.1m；预制主梁、横隔梁及湿接缝均采用C55混凝土。为便于说明，主梁从右至左编号为1-5号梁，典型截面如图1所示。

图1 50mT梁桥截面尺寸

2.2 有限元建模

利用Midas/civil 2006建立50m的T梁计算模型，包括实体模型、梁板组合模型和梁格模型。为了方便建模，所有模型的边横梁的截面高度调整为和主梁相同。模型坐标系，沿桥梁纵向为坐标X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。

2.2.1 梁板实体模型。实体模型网格划分如图2所示，整个模型共27 610个节点，15 515个单元。通常认为，当单元划分足够精细且单元形状无明显畸变时，实体单元模型的计算结果会足够精确，本文以此为基准与其他模型对比。

图2 实体模型

2.2.2 梁板组合模型。主梁预制部分用梁单元来建立，现浇翼缘用板单元建立，厚度为0.2m。为保证梁板共同作用，梁板节点刚性连接；约束在梁底，其与主梁顶部节点刚性连接，左端支点、梁板连接及板底约束如图3所示。

2.2.3 梁格模型。如图4所示，主梁、湿接缝及现浇翼缘均采用梁单元模拟，全截面共有11根纵梁。需要注意的是，离散后的11根纵梁各自的中性轴同原桥梁整体截面的水平形心轴并不重合，因此需要对各纵梁截面的抗弯、抗扭刚度进行调整。

图3 梁板组合模型

端横梁简化为矩形截面梁，中横梁简化为两个分离的矩形截面梁；湿接缝通过设虚拟横梁模拟，虚拟横梁的截面高度取翼缘板的厚度0.2m，横梁之间共设3道虚拟横梁，其截面宽度为2.7m。当考虑全部翼缘参与受力时，由于横梁的存在，整个截面绕X轴的形心将会变化。本文分别计算端横梁和中横梁处的形心，并对横梁及虚拟横梁的抗弯刚度进行调整。同时，为避免重复计入桥面板自重，将虚拟横梁的自重调整系数设为零。

图4 梁格计算模型

3 计算内容及结果分析

本文主要对比不同模型之间的差异，因此，计算过程中仅考虑公路-I级荷载及结构自重，根据JTJ D60-2004规范，公路-I级车道荷载的均布荷载标准值为qk= 10.5kN/m，集中荷载标准值为Pk=360kN。同时，为分析荷载沿桥横向不同作用位置的差异，计算时分别考虑对称荷载和偏载两种工况：

工况1(偏载)：自重+作用于1-3号号梁的均布荷载及跨中的集中荷载；

工况2(对称荷载)：自重+作用于1-5号梁的均布荷载及跨中的集中荷载。

本文仅给出跨中及1/4跨截面的竖向位移值及应力值，并与实体模型计算结果进行对比分析。

3.1 应变计算结果

3种模型在对称荷载及偏载作用下的应变计算结果见如表1，以实体模型结果为基准进行对比。

由表1可知，在计算工况下，梁板组合模型各梁跨中应变与实体单元模型的误差在-0.43%～1.08%，1/4跨截面的误差在-0.72%～1.24%；梁格模型与实体单元模型的误差在-0.6%～1.25%，1/4跨截面的误差在-2.45%～1.51%。可见，用梁格法分析装配式T梁桥，计算结果满足工程精度需要。梁板单元组合模型，板单元可以很好地模拟湿接缝，计算结果误差较小。

3.2 位移计算结果

3种模型在对称荷载及偏载作用下的竖向位移计算值如表2所示。

由表2结果可见，梁板组合模型1中1-5号梁在2种荷载工况作用下，各梁跨中竖向位移与实体单元模型的误差在-0.59%～2.26%。梁格模型中1-5号梁在2种荷载工况作用下，各梁跨中竖向位移与实体单元模型的误差在1.37%～2.82%。

4 结论

通过对装配式T型梁桥3种有限元建模方法进行计算和对比分析可以得出以下结论。

第一，针对装配式T型梁桥的施工特点，提出一种新的梁格划分方法，即将预制主梁和现浇翼缘接缝分别作为纵梁，横梁和现浇翼缘作为整体，综合考虑其横向连接作用。该方法建模方便，结果准确，是一种合适的空间有限元建模方法。

第二，对此种有横梁体系装配式梁桥，并且横梁设置较密时，分析时仅考虑横梁的连接作用时，其最大误差，竖向位移为2.45%，应力误差为3.04%，采用梁格法分析此类桥梁时综合考虑横梁和翼缘的作用。

第三，梁板组合模型，其建模比单独的板单元简单，且可以得到设计所需的内力值。用板单元可以很好地模拟现浇接缝，可作为该桥型空间有限元分析的备选建模方法。

表1 1-5号梁截面应变计算结果

表2 1-5号梁跨中截面竖向位移计算结果

综上所述，对于装配式T型梁桥，可采用将预制主梁和现浇翼缘接缝分别作为纵梁，横梁和现浇翼缘作为整体，综合考虑其横向连接作用的梁格计算模型，该模型可以准确模拟桥梁的横向连接，并且可以较好地模拟施工过程。

［1］檀威.空间梁格模型与平面单梁模型计算简支梁桥内力比较分析［J］.湖南交通科技，2015（4）：117-121.

［2］万鹏，郑凯锋.组合有限元方法在T形梁桥荷载横向分布分析中的应用［J］.公路，2003（S1）：100-105.

［3］张剑，叶见曙，张峰，等.基于混合壳单元法预应力混凝土T梁的受力性能［J］.交通运输工程学报，2007（4）：79-83.

［4］王其功.斜T型梁桥的有限元分析［J］.公路交通科技，2006（3）：88-92.

［5］肖明亮，张锐.铰接空心板梁格法虚拟横梁截面特性取值研究［J］.交通标准化，2013（5）：129-131.

［6］李林，李忠评，马奎.梁格法在斜交箱梁结构分析中的应用［J］.公路交通技术，2011（3）：63-67.

［7］黎虹，周琳，储伟伟.梁格法在桥梁荷载试验中的应用［J］.城市道桥与防洪，2013（2）：44-46，7.

［8］黄侨，葛占钊，林阳子.梁格法在双曲拱桥承载能力评估中的应用［J］.中外公路，2007（6）：89-93.

Discussion on Spatial Calculation Model of Assembled T Beam Bridge

Yu Pinde1,2Zhang Dai1,2Liu Haikuan1,2
（1.Road and Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Research and Development Center of Transportation Industry，Zhengzhou Henan 450006；2.Henan Transportation Research Institute Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450006）

Taking a bridge as an example,using Midas/civil 2006,respectively established the entity unit model, beam plate element combination model and grillage model,comparative analysis on the symmetrical load and partial load,displacement and stress of main section.The results show that the grillage model is suitable for the calculation of the assembled T beam bridge.

T beam bridge；finite element model；beam plate solid model；beam slab composite model；grillage model

U446.1

A

1003-5168（2017）07-0112-03

2017-06-01

于品德（1985-），男，工程师，硕士，研究方向：桥梁结构研究、桥梁检测与监测。