预应力混凝土T梁工作性能及抗弯承载力分析

穆英才

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

装配式T梁由于可以提高出图质量和出图效率，推进桥梁建设管理专业化、施工标准化、管理精细化，在我国高速公路上大量使用。目前国内很多单位都在组织人员进行满足新规范《公路桥涵通用设计规范》(JTG D60—2015)T梁标准图设计，但对T梁工作性能及抗弯承载力分析的研究较少。横隔梁在装配式T形梁中起着保证各根主梁相互连成整体的作用，它的刚度愈大，桥梁的整体性愈好，在荷载作用下各主梁就能更好的协同工作，以横隔梁为影响因素，探究其对T梁力学行为的影响。不设横隔梁或设置较少的横隔梁，造成桥梁桥跨结构横向刚度有所降低，较易出现翼板接缝处的纵向裂缝，梁肋裂缝也比相对较多，给后期养护维修带来困难。因此，横隔梁的设置对公路预应力混凝土T梁工作性能及抗弯承载力尤为重要。

本论文作为课题“装配式T梁标准化设计关键技术研究”的一部分，通过研究横隔梁设置个数对T梁工作性能及抗弯承载力影响，对T梁通用图编制和优化提供指导。

1 工程概况

依托“装配式T梁标准化设计关键技术研究”课题，以40 m跨径简支T梁为研究对象，路基宽度25.5 m(单幅桥梁宽度12.5 m)，采用五片主梁，梁高2.5 m，梁间距2.525，翼板端部厚0.2 m，根部厚度0.29 m，预制边梁宽2.05 m，中梁宽1.7 m，湿接缝宽0.825 m，边梁悬臂1.2 m。横断面布置及T梁断面见图1～图3。

图1 计算模型横断面图(单位：mm)

图2 边梁截面(单位：mm)

图3 中梁截面(单位：mm)

2 计算模型

梁格法作为一种空间计算方法，就是将上部结构用一个等效的空间构架来模拟，基本概念清晰，易于理解应用，较其他空间分析方法更为实用。本文采用midas有限元分析软件按照空间梁格结构刚度等效的原则建立40 m简支T梁有限元模型，模型共有363个节点，529个单元，分析时忽略支座摩擦的影响，汽车荷载作用位置参照《公路桥涵通用设计规范》(JTG D60—2015)规定执行，建立模型如图4所示。根据桥梁空间理论，荷载在(不同道数横隔梁)各主梁间进行横向布置时，挠度或内力的变化能够反映出横向分布系数的大小变化趋势，即荷载的偏载和中载作用下的挠度或内力的变化可以看出各主梁的受力状态和工作性能，同时也反映了边中梁实际的横向分布系数的大小。通过探索挠度或内力的变化来确定合理的横隔板道数，为理论横向分布系数计算提供横梁刚度假定支撑。

图4 梁格模型

3 横隔梁对T梁工作性能影响

为分析研究横隔梁设置个数对T梁跨中挠度的影响，以边梁和中梁为研究对象，分别研究横隔梁设置个数为2～9道横隔梁(其中2道横隔梁为设置端横隔梁)时边梁和中梁跨中挠度的变化情况，如图5、图6所示。

图5 边梁跨中挠度

图6 中梁跨中挠度

从图5、图6中可以看出，在设置横隔梁道数较少时，单梁(边梁、中梁)受力明显，即各片主梁的工作性能与相邻主梁的联系较弱、受力较为集中，其他各主梁无法共同分担受力，T梁单梁空间工作性能明显，这与横向分布系数理论分析计算存在较大的误差；随着横隔梁道数的增加，各主梁间的横向联系得到加强，形成较大的横向刚度，为各主梁提供竖向和横向支撑，这与理论横向分布系数分析的假设较为接近，从而使主梁空间协同工作性能有明显提高。

从图5、图6中也可以看出，随着横隔板个数的增加，主梁跨中挠度变化逐渐变小，当设置7道横隔板(包含端横隔板)时，边中梁跨中挠度变化趋于缓和，说明再次增设横隔板对主梁影响较小，此时横隔板设置个数已相对合理，横向刚度(由横隔板形成)能较好的约束主梁变形，提供竖向和横向支撑。即设置合理的横隔梁能明显减小主梁挠度，提高装配式预应力混凝土T梁的工作性能。另一方面，随着横隔梁道数增加，边中梁挠度趋于稳定时，此时横向分布系数也与理论计算更为靠近，多道横隔梁道数形成的横向刚度也接近刚性横梁法或者刚接板梁法的横向刚度要求。

4 横隔梁对T梁抗弯承载力影响分析

为进一步分析研究横隔梁设置个数对主梁跨中内力的影响，同样以边中梁为研究对象，分别研究横隔梁设置个数为2～9道横隔梁(其中2道横隔梁为设置端横隔梁)时边中梁跨中弯矩的变化情况，如图7、图8所示。

图7 边梁跨中弯矩

图8 中梁跨中弯矩

从受力角度来看，设置横隔梁有助于改善主梁内力分布。一方面受荷边中梁在跨中位置的峰值内力降低较为明显，跨中设置1道中横隔梁后，跨中弯矩降为81%；设置2道中横梁后，对应位置弯矩降为72%；当设置7道横隔梁(包含端横隔梁)时，跨中弯矩对应位置降为54%；当设置8、9道横隔梁时跨中弯矩降幅明显减小，说明设置7道横隔梁已相对合理。另一方面，设置横隔梁后主梁跨中弯矩明显减小，提高了主梁抗弯承载力富余度，这对配置固定的预应力钢束(抗弯承载力已定)主梁来说，较多的横梁能够改善主梁受力，提高主梁的安全可靠度。从另外一个角度来讲，对于出现病害或需要加固的此类桥梁来说，增设横隔梁同样能够有效改善主梁受力。

5 结 论

横隔梁的设置能够对T梁的工作性能和抗弯承载力有明显影响。较少的横隔梁使得各主梁单梁受力明显(空间工作性能明显)，各主梁单梁工作性能突出，分担了相对较多的上部车道荷载，即装配式预应力混凝土T梁作为整体受力的性能不能充分发挥；随着横隔梁道数的增加，主梁跨中挠度和弯矩均逐渐减小，即较多的横隔梁有效的提高了桥梁的整体工作性能，从而提高了装配式预应力混凝土T梁实际抗弯承载能力，此时装配式预应力混凝土T梁实际工作性能与理论分析更为接近。

横隔梁的设置增强了结构的横向联系，对装配式结构的整体性提高有很大帮助，但横隔梁并不是越多越好，当横隔梁道数大于7道时，各主梁受力工作性能改善不明显，故装配式预应力混凝土T梁在设计时应设置合理道数的横隔梁，避免设置过多的横隔梁，给后期施工、运营和维护带来不必要的麻烦。

研究结论同样可用于指导装配式预应力混凝土T梁桥维修加固设计，特别是早期部分桥梁由于设置了较少的横隔梁甚至不设置横隔梁，经过多年的运营后，出现了一些病害，从加强整体受力角度来看，增设横隔梁可以有效提升装配式结构各主梁的抗弯承载能力，改善装配式结构的空间受力性能。