斜T梁横隔板形式对主梁受力影响的数值分析

吕 船

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在桥梁建设中，简支T梁桥因其施工速度快，跨越能力强，工艺成熟而得到了广泛的实践应用，为了保证主梁的横向刚度，在T梁的腹板之间设置横向连接，通常横向连接在梁端和跨中均设置。当在墩台截面设置时称为端横隔板，在支撑截面以外时称为中横隔板。横隔板在装配式T形梁桥中起着保证各片主梁相互连接形成整体的作用，它的刚度越大，主梁的整体性越好，在荷载作用下各片主梁就能更好地协同作用[1]。

工程实践中，因地形条件和线型的限制，有大量的简支T梁桥建成斜交T梁桥。斜交简支T梁横桥向为多主梁结构，各主梁预制拼装，混凝土现浇横隔板和湿接缝，为保证结构的整体受力性能，一般都要在主梁两端设置端横隔板，跨内设置中横隔板[2]，由于斜交桥的支撑边与桥梁的纵轴线斜交，横隔板的布置形式成为了影响斜交简支T梁受力性能的主要因素之一。

在装配式预应力混凝土T梁桥中,端横隔板的布置通常是沿斜交桥的支撑边，但是关于中横隔板的布置形式却有多种。本文以30 m跨径斜交简支T梁桥结构为研究对象，利用Midas FEA建立空间实体模型进行计算，斜交角30°，分析跨内3种横隔板布置形式对主梁力学性能的影响，重点对比分析结构空间受力和挠度的差别，得到斜交简支T梁中横隔板的最合理布置形式，为以后类似桥梁的设计施工提供相关参考。

1 空间实体模型

1.1 模型参数

山西地区某高速公路桥梁为装配式预应力混凝土T梁桥，施工图纸采用部颁通用图。选取30 m简支T梁为研究对象，桥面宽12.5 m，由5片梁组成，梁高2 m。预制主梁及横隔梁、湿接缝、封锚端、桥面现浇混凝土均采用C50；桥面铺装采用沥青混凝土，设计荷载公路一级。

主要采用的参数为：计算跨径L=28.9 m；弹性模量E=3.45×104MPa；跨中截面惯矩Ic=0.574 m4；跨中截面惯矩 Ic=0.461 m4；跨中截面面积 Ac=1.004 m2；支点截面面积Ac=1.430 m2；中载面压力4.2 kN/m2。

1.2 横隔板的布置形式

斜交简支T梁的横隔板布置，一般区分端横隔板和中横隔板。端横隔板布置形式一般是平行于斜交桥的支撑边，中横隔板的布置主要有3种形式：一是中横隔板平行于斜交桥的支撑边（以下简称斜布）；二是单片主梁中横隔板分别正交于桥跨方向（以下简称局部正布）；三是中横隔板整体正交于桥跨方向（以下简称正布）[3]。为探讨横隔板布置形式对结构刚度和结构受力的影响，本文以30 m跨径斜交简支T梁为研究对象，横隔板布置形式如图1、图2、图3所示。

图1 横隔板斜布

图2 横隔板局部正布

图3 横隔板正布

2 结构空间受力分析

为了分析不同形式横隔板对主梁受力性能的影响，本文提取局部纵横向应力值，分别沿纵横向分析研究其应力变化规律[4]。

2.1 主梁跨中底部纵向应力

由于结构庞大，本文选取纵向应力值较大的跨中主梁底部，分析跨中底部纵桥向应力值在横桥向的变化情况。如表1所示。

表1 各主梁跨中底部纵桥向应力 MPa

由表1可知，布置不同形式的横隔板对主梁跨中底部纵向应力影响情况明显不同，采用斜布横隔板方式时各主梁跨中底部纵向应力值均值最小，相反采用正布横隔板时最大，而采用正布横隔板时，各主梁之间的纵向应力差值最大，即应力分布不均匀。

分析了跨中底部纵桥向应力值在横桥向的变化情况，我们选取具有代表性的中间主梁，分析跨中底部纵桥向应力在纵桥向的变化规律，如图4。

由图4可知，3种形式的横隔板布置方式，主梁跨中底部纵桥向应力变化趋势大致一致，其中斜布横隔板时纵向应力峰值要明显小于其他两种布置形式时的应力峰值，而且同一纵向位置，斜布横隔板时，纵向应力值最低，结构受力最优。

图4 中间主梁跨中底部纵桥向应力

2.2 主梁跨中底部横向应力

同时本文选取具有代表性的跨中主梁底部，分析横桥向应力值在横桥向的变化情况。如表2所示。

表2 各主梁跨中底部横桥向应力 MPa

由表2可知，采用斜布横隔板方式时，各主梁跨中截面的底部横桥向应力产生拉应力，虽然应力数值不大，但使混凝土处于受拉状态，不利于混凝土的受力，混凝土容易开裂。相反局部正布方式，横桥向应力变化均匀。

3 横隔板局部应力分析

为了研究横隔板自身受力性能，通过观察应力云图，我们发现，不论采用何种横隔板布置方式，在中载面压力作用和自身质量的作用下，跨中横隔板均处于最不利受力位置[5]，具体受力情况如表3和表4。

表3 2号和3号主梁跨中横隔板上翼缘横桥向应力 MPa

表4 2号和3号主梁跨中横隔板下翼缘横桥向应力 MPa

通过分析表3、表4可知，正布和局部正布横隔板使横隔板自身在上翼缘产生拉应力，而斜布横隔板没有出现这种情况；同时正布横隔板时，下翼缘各主梁应力差值最大达0.7 MPa，局部正布横隔板时，下翼缘各主梁应力差值最大达0.49 MPa，斜布横隔板时，下翼缘各主梁应力差值最大达0.24 MPa，说明斜布横隔板时横隔板自身的应力变化均匀，而且应力值较其他两种方式明显较小，利于结构的受力。

4 结构挠度分析

在荷载作用下，结构会产生一定变形，对于不同的横隔板布置形式，即使荷载工况相同，结构的变形量也会有差异，本文对比分析同一中载工况下主梁跨中的挠度和跨中横隔板挠度的变化情况。

4.1 横隔板挠度

数值模拟分析过程中，虽然控制了跨径和斜交角的度数，但是不同的横隔板布置形式会导致横隔板纵向布置位置的偏差，但最中间横隔板布置位置相对固定，因此本文对比全桥最中间布置的横隔板进行研究，其挠度如表5所示。

表5 跨中横隔板底部挠度 mm

由表5可知，同为最中间横隔板，斜布横隔板的挠度最大，与另外两种布置形式横隔板挠度平均差值1.5 mm，差距较小，正布横隔板的挠度最小。

4.2 主梁跨中挠度

数值模拟分析过程中发现，纵桥向中间梁片的挠度变化最明显，横桥向各主梁跨中点挠度最大，因此，本文选取上述挠度变化最大的位置进行分析，如表6所示。

表6 各主梁跨中底部挠度 mm

由表6可知，各主梁跨中底部挠度值由于横隔板布置形式的不同而具有差异性。斜布横隔板的平均挠度值17.387 5 mm，正布横隔板的平均挠度值15.785 2 mm，局部正布横隔板的平均挠度值15.924 9 mm，三者最大差值1.602 3 mm，从数值大小判断，正布横隔板对于主梁跨中挠度的控制较为有利；其余两种布置方式与其差距亦不大。

分析了跨中底部挠度值在横桥向的变化情况，我们选取具有代表性的3号主梁，分析跨中底部挠度在纵桥向的变化规律，如图5所示。

图5 3号主梁跨中底部挠度变化图

由图5可知斜交桥中间梁片底部挠度的变化规律，横隔板的3种布置形式对于整个结构的挠度产生了差异性影响，特别是在跨中位置及其附近的一定范围内，其中正布横隔板和局部正布横隔板的差异性很小，变化规律曲线基本重合，这两者与斜布横隔板有明显的差异，但差异的绝对值较小，这与上述各主梁跨中挠度变化规律和最中间横隔板自身挠度变化规律具有一致性，斜布横隔板在控制结构的挠度方面没有优势，相反另外两种布置方式表现出相对优势[6]。

5 结论与建议

a）采用斜布横隔板和局部正布横隔板方式时各主梁跨中底部纵向应力均值较小，各主梁之间的纵向应力分布均匀；采用斜布横隔板时中间梁片跨中底部纵桥向应力峰值要明显小于其他两种布置形式时的应力峰值，而且同一纵向位置，斜布横隔板时，纵向应力值最低，结构受力最优。

b）采用斜布横隔板方式时，主梁跨中底部横桥向应力产生拉应力，虽然应力数值不大，但使混凝土处于受拉状态，不利于混凝土的受力，混凝土容易开裂。相反局部正布方式，横桥向应力变化均匀。

c）斜布横隔板时横隔板自身的应力变化均匀，而且应力值较其他两种方式明显较小，利于结构的受力。

d）横隔板的3种布置形式对于整个结构的挠度值产生了差异性影响，特别是在跨中位置及其附近的一定范围内，其中正布横隔板和局部正布横隔板的差异性很小，这两者与斜布横隔板有明显的差异，但差异的绝对值较小，斜布横隔板在控制结构的挠度方面没有优势，但是其结果均为规范允许范围内。

e）仅从力学性能考虑，斜布横隔板和局部正布横隔板都是可取的斜T梁中横隔板布置方式。但综合考虑施工难易程度和单梁的可替换性，推荐斜T梁采用斜布中横隔板方式加强桥梁的横向联系。