装配式T梁纵向连接形式力学性能对比分析

任 鹏

(武汉理工大学 交通学院,湖北 武汉 430063)

0 引 言

现阶段装配式T梁在我国高速公路桥梁上应用十分广泛，但是其施工中的纵向连接形式、拼接工艺与接缝处受力性能的研究却没得到很大的发展，导致使用阶段的受力性能下降、结构稳定性下降、连接处出现裂缝等问题。装配式桥梁常用的新型纵向连接接缝形式除了常见的竖直接缝，还有斜接缝、L形或阶梯形接缝、齿块形接缝。

针对研究对象，首先分别对不同连接形式的桥梁利用ANSYS有限元软件建模，分析结构关键部位的应力和挠度，研究结构纵向连接形式变化对结构力学性能的影响，通过比较得到各种连接形式的优缺点，并从中选出较优结构。本文研究对于装配式T梁的设计与施工具有较好的参考价值。

1 装配式T梁纵向连接模型

1.1 纵向连接形式介绍

根据已有装配式桥梁纵向连接施工的采用情况以及现有规范、研究文献，预制梁连接形式的常用和新型构造形式主要有以下几种：竖直接缝、斜接缝、L形或阶梯形接缝、齿块形接缝，如图1所示。

图1 纵向连接接缝示意图

竖直接缝：此为装配式桥梁纵向连接最为常用的形式。连接处截面的剪应力主要由湿接缝承担，由于相邻预制梁截面的竖向变形与微小位移，连接处易出现较大的剪应力，这是此种接缝形式受到破坏的主要形式之一。

斜接缝：斜接缝的形式为倾斜状平面，由于倾斜面的存在，剪应力将由预制混凝土T梁与湿接缝共同承担。本文选择10°的倾斜面进行研究。

L形或阶梯形接缝：此接缝形式是在竖直接缝的基础上增加阶梯面，由于接缝的形式并不是完全竖直，剪应力由连接处相邻混凝土共同承担。本文选择宽度为200 mm的二次阶梯面进行研究。

齿块形接缝：由于剪力键的存在，抵抗竖向变形的能力提高，且相邻两混凝土节段接触面积大大增加，故其抗剪切变形能力较强。本文选择齿键深度为75 mm的形式进行研究。

1.2 工程概况

以十堰经镇坪至巫溪高速公路鲍峡至溢水段的40 m装配式T梁桥为工程背景，此桥梁上部结构为变截面T梁，横向布置5片T梁，截面尺寸如图2所示。具体工程参数如下：

图2 桥梁断面图(单位：mm)

混凝土：预制主梁及横隔梁、湿接缝、封锚端、墩顶现浇段和桥面现浇混凝土均都采用C50型号混凝土，重力密度γ=26.0 kN/m3，弹性模量EC=3.45×104MPa。

沥青混凝土：桥面铺装采用沥青混凝土，重力密度γ=24.0 kN/m3。

预应力钢筋：预应力钢筋采用抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa、公称直径d=15.2 mm的低松弛高强度钢绞线，弹性模量EP=1.95×105MPa，松弛系数ξ=0.3。

1.3 ANSYS有限元模型

本文将分别建立在装配式T梁通过纵横连接与施加二期恒载完全成桥状态下的竖直接缝、斜接缝、L形或阶梯形接缝、齿块型接缝纵向连接形式的桥梁模型，对不同连接形式的受力性能做出对比分析。此ANSYS有限元建模重点为混凝土建模、预应力钢筋建模与纵向连接的处理。

使用SOLID 95单元模拟桥梁的混凝土结构，此单元节点有X、Y、Z三个方向的平移自由度，并且SOLID 95单元可以充分适应混凝土结构的小变形、截面应力计算与刚度的要求。桥梁的混凝土结构有限元模型如图3所示。

图3 混凝土实体模型

为了保证计算结果的准确性，本模型严格要求预应力对于混凝土连接接缝的受力性能的影响，因此通过LINK 8单元建立钢筋线形，采用“实体力筋法”模拟预应力钢筋在混凝土结构中的作用。预应力钢筋建模的实常数(其张拉应力为1 395 MPa)见表1。

表1 预应力钢筋实常数

为了使纵向连接的湿接缝的受力性能区分于预制混凝土T梁，对接缝的相邻混凝土采用约束方程法进行刚性连接，使相邻的预制T梁在湿接缝截面自由度相同并且相邻节点通过刚性连接，即受到的变形与应力相同，以此分析不同接缝形式下的接缝处力学性能。

2 纵向连接形式受力性能对比分析

2.1 有限元计算结果对比分析内容

本文进行了4种预制T梁的纵向连接形式的分析，为了使结果具有对比性与准确性，通过使用相同的建模方法，建立一个无连接接缝整体式T梁有限元模型来提供对照应力数据，使其数据作为类比项，其他接缝数据作为对比项，以此得到直观可靠的力学数据分析结果。

通过对实际工程与有限元模型的对比分析，不同纵向连接形式的对比分析内容应为以下几点：

(1) 装配式T梁整体竖向变形分析；

(2) 连接接缝截面上下缘纵向正应力分析；

(3) 跨中截面上下缘纵向正应力分析；

(4) 连接接缝截面腹板剪应力分析。

2.2 受力性能对比计算分析

2.2.1 竖向变形分析

由不同连接形式的T梁竖向变形云图(图4)可知，其最大挠度值均发生在跨中附近位置，距离跨中截面偏向T梁端部1 m处。此成桥阶段边界条件下的T梁竖向变形值见表2。

图4 竖向变形云图

表2 各种连接形式下竖向变形值

此成桥阶段的上拱值是为了使用阶段而存在的。一般来说，上拱值越大，预应力混凝土T梁的压应力储备越大，对于之后使用阶段的桥梁受力性能也会有一定的加强；但是，过大的上拱值，有可能在连接处或支座处产生过大的拉应力。因此桥梁变形需同时配合应力数据进行比较。

2.2.2 连接接缝位置纵向正应力分析

研究预应力混凝土T梁在不同连接接缝形式下的受力性能，连接处的应力特征为非常关键的参考依据。本文对连接处的上、下缘纵向正应力分别做出计算分析，通过查看不同接缝形式的模型的应力云图(图5)可知，不同连接接缝形式在连接处的应力分布与大小差别较大，是非常值得研究与对比分析的。

图5 连接处纵向应力云图

通过对装配式T梁的连接处上缘与下缘的纵向正应力分析，其上缘为压应力，下缘为拉应力。表3给出了各种连接形式的应力数据。

表3 连接接缝位置上下缘纵向正应力(单位：MPa)

为了更加形象地对比上述4种连接形式的上下缘纵向正应力的大小情况，将整体式作为类比项，其余几种连接形式做对比分析，如果如图6、图7所示。

图6 上缘纵向压应力对比图

图7 下缘纵向拉应力对比图

对于上缘纵向压应力，斜接缝连接形式相对于其他连接形式，纵向压应力减小幅度最大，其他连接形式，除了齿块形接缝连接形式差别比较大之外，其余连接形式差别较小。 对于下缘纵向拉应力，斜接缝的下缘纵向拉应力最小，应力值较其他连接形式低了大约有9%；其他连接形式与整体式相比，都有2%到5%的减小幅度。

2.2.3 腹板最大剪应力分析

接缝处由于新旧混凝土受力性能的不同，而连接处还要承担永久支座、负弯矩预应力钢筋与桥面铺装等二期恒载带来的外加荷载作用，因此连接处腹板的剪应力也为关键应力之一。表4给出了各个连接形式的腹板剪应力最大值。

表4 腹板最大剪应力(单位：MPa)

为了更加形象的对比上述4种连接形式的剪应力的大小情况，将整体式作为类比项，同其余几种做对比，结果如图8所示。

图8 腹板最大剪应力对比图

根据以上的剪应力变化与对比，斜接缝的腹板最大剪应力低了8%左右；齿块形接缝的腹板最大剪应力高了2%左右。

2.2.4 跨中截面纵向正应力分析

不同纵向连接形式的跨中截面纵向正应力的变化对于桥梁整体受力性能的影响，可作为次要因素分析。表5给出了各连接形式下的跨中截面应力。

表5 跨中截面上下缘纵向正应力(单位：MPa)

上述图表的数据分析表明，不同的接缝连接形式对于预应力混凝土跨中的上、下缘纵向正应力都存在一定的影响，但通过对比4种主要连接形式可知，其不同的连接接缝形式对于上、下缘的纵向正应力影响较小，但与整体式模型一定的差别。

2.3 对比分析结论

通过对连接处应力的分析得知，4种连接形式的应力变化规律相同，都为斜接缝应力较小，齿块形接缝应力次之，其余差别不大。对应力云图与变形云图的分析得知，出现此原因主要有以下几点：

(1) 斜接缝的独特倾斜面有利于变形的释放，其倾斜的截面使得湿接缝截面长度增加，相邻混凝土的变形影响对其将会减小一些。

(2)斜接缝的应力通过靠重力相互挤压的混凝土承担一部分，湿接缝承受的应力较小，因此，无论是第一种边界条件还是成桥之后，其连接处应力相比其他形式都较小。

(3) 齿块形接缝由于齿键的作用，使得相邻混凝土的连接更加紧密，其抵抗变形的能力也会有所提高；但是其上缘与下缘位置的部分接缝为竖直形式，因此其上下缘的受力性能较斜接缝要低一些。

(4) 阶梯形接缝是通过阶梯面来抵抗变形，与齿键的作用类似，但是因为形齿键的密集性，齿块形接缝受力性能要优于阶梯形接缝。

综上所述，结合施工难易等实际情况，本文认为斜接缝连接形式为改善装配式T梁连接细部结构受力性能较优的纵向连接形式。

3 结束语

本文对高速公路装配式T梁的纵向连接形式与影响因素做出了计算分析研究，从而对实际装配式T梁的纵向连接提出了一定的施工技术依据。本文主要使用ANSYS有限元分析软件对40 m跨径的装配式T梁做出了有限元模拟分析，对不同湿接缝的纵向连接形式做出了对比计算分析，得到了以下成果：

(1) 改变连接形式，连接结构细部的关键应力(拉应力)都有至少2.5%的减小，说明不同的连接形式对于改善连接处的受力性能都具有一定的优势。

(2)斜接缝连接形式在各种细部分析中占据主要优势，相比于其他连接形式，拉应力与剪应力都同比减小了7%～8%；所以综合考虑，斜接缝为此装配式T梁的纵向连接形式的较优选择。

(3) 根据有限元模型结果分析了不同连接形式力学性能的表现原因，为设计施工提供了参考依据。