预制T梁斜转正上部结构设计及受力分析

摘 要：某高速特大桥跨越地方道路交叉角度小，在保证功能满足要求的前提下，为减少桥梁跨径情况，降低纵面控制高程，上部结构采用预制T梁斜转正，通过调整梁长控制桥梁上部结构的角度变化。本文介绍了该处节点上部结构的设计情况，采用梁格法建立有限元模型，对受力进行分析和验算，结合分析结果和后续实际施工中遇到的问题对斜转正T梁设计方法进行探讨。

关键词：预制T梁；斜转正；梁格法

中图分类号：U 44" 文献标志码：A

随着当今社会经济的持续发展，公路建设规模逐渐变大，尤其是在路网发达的平原地区，高速公路与地方道路的交叉愈加频繁。高速公路路线指标较高，路线跨越地方道路时普遍存在斜交关系且桥梁长度亦较长，整桥全部采用斜交缺乏施工可行性，而采用正交加大跨径的方式会使工程造价大幅提高，因此桥梁采用斜转正上部结构可有效解决各类局限性问题，其中，预制结构的斜转正桥梁具有技术成熟、施工周期短、对桥下交通影响小等优势，在公路桥梁领域中应用广泛[1]。

1 工程概况

本文研究对象为某高速特大桥跨越地方规划道路的一联预制T梁（先简支后连续），将跨径布置为30m+2×40m，半幅桥宽12.5m，单幅桥梁横向布置6片梁，边梁悬臂1m，中梁悬臂0.85m，湿接缝宽度0.4m，梁高2.5m。

该联2号、3号、4号桥墩与桥梁设计线法向交角为15°，1号墩与设计线正交，因此第一跨30m跨径T梁需要通过调整梁长的方式实现交角变化，各片T梁构造参数及结构混凝土数量见表1，按照设计中心线由内到外设置梁编号1～6。

本文以该联桥梁为例，计算上部结构为先简支后连续预制T梁的斜转正桥梁的内力分布情况，并根据现行规范[2]对承载能力极限状态的结构抗力和正常使用极限状态各项应力进行验算，并结合实际施工过程提出该类桥梁在设计过程中需要注意的事项。

2 计算参数

结构自重：各构件重力荷载按照砼容重26kN/m³计算。

二期恒载：铺装20cm，按照容重25kN/m³计算，单侧SS级墙式护栏按照每延米12.35kN加载。

汽车荷载：公路-Ⅰ级，按最不利情况满布单向三车道加载，考虑横向折减及纵向折减，冲击系数按照规范[3]第4.3.2条计算。

整体温度：升温20℃，降温20℃。

梯度温度：14℃，5.5℃，-7℃，-2.75℃。

支座沉降：5mm。

设计安全等级：一级。

3 有限元模型

梁格法将实际桥梁结构等效为由纵梁和横梁组成的梁格单元，将上部结构的纵向刚度集中到纵梁内，抗弯、抗扭刚度集中到最邻近的梁格内，横向刚度则集中到横梁内，使等效梁格模型与实际结构具有相近的弯矩、剪力、扭矩以及应力结果[4]。在划分单元精度足够高以及边界条件模拟合理的情况下，采用梁格法可以满足结构计算精度的要求。

计算程序采用Midas Civil空间有限元分析软件，结构设计验算程序采用Civil Designer软件，针对斜转正上部结构特点，边梁和中梁模拟为纵向梁单元，端横梁、中横梁、跨中横隔板按照实际截面模拟为横向梁单元，其余横向联系采用2.1m宽无容重的虚拟横梁，各横梁与纵梁间节点采用刚接。有限元模型主要纵梁和横梁的布置如图1所示。

4 结构计算

4.1 承载能力极限状态计算

4.1.1 抗弯承载力验算

在荷载基本组合下，计算各主梁截面实际最大及最小弯矩值，并根据规范计算各主梁截面结构最大及最小弯矩抗力值，将其共同绘制在抗弯验算包络图中，如图2所示。图中横坐标为主梁顺桥向各截面位置，纵坐标为弯矩值，图中4条线从上到下依次为结构最小弯矩抗力值、实际最小弯矩值、实际最大弯矩值及结构最大弯矩抗力值。

由图2可知，该联上部结构的内力结果中与常规组合T梁截面基本一致，边梁弯矩较中梁大。在此基础上，可以发现随着各T梁理论跨径增加，主梁斜转正第一跨跨中正弯矩基本呈增加趋势，2号墩位置处负弯矩则呈减少趋势。

4.1.2 抗剪承载力验算

在荷载基本组合下，计算各主梁截面实际最大及最小剪力值，并根据规范计算各主梁截面结构最大及最小剪力抗力值，将其绘制在抗剪验算包络图中，如图3所示。

设计时充分考虑了各主梁的内力分布差异，本文对T梁梁底纵向主筋与墩顶位置梁顶纵向主筋进行加强，并同时对腹板箍筋进行适当加密，验算结果表明在荷载基本组合下各截面的弯矩设计值与剪力设计值均小于结构抗力，并留有相应的安全富裕度。

4.2 支反力计算

在荷载标准组合下，得到各支座节点最大反力见表2。

在荷载作用下，边梁反力比中梁大，横向支反力基本随着理论跨径增加而增加。反力不均匀分布的原因为纵向主梁的扭矩分布，纵向主梁扭矩产生原因：理论跨径不同导致竖向弯曲不同、边梁形心与支点位置平面不重合、护栏偏心荷载等[1]。

4.3 正常使用极限状态抗裂验算

在荷载频遇组合下，桥梁顶缘正截面最大拉应力为-1.818MPa，底缘正截面最大拉应力为-0.948MPa，主要出现在斜交的2号墩墩顶位置，容许最大拉应力为0.7ftk=1.855MPa。斜截面最大主拉应力为-1.126MPa，主要出现在墩顶位置和负弯矩钢束锚固处，容许最大主拉应力为0.7ftk=1.855MPa。在荷载准永久组合下，桥梁顶缘与底缘正截面均未出现拉应力，其最小压应力亦出现在斜交墩顶位置。桥梁正截面抗裂与斜截面抗裂验算结果均满足规范要求，但关键位置安全富裕度不高，因此设计时应注重中支点位置及负弯矩钢束锚固处的应力控制。

4.4 持久状况应力验算

在荷载标准组合下，桥梁顶缘正截面最大压应力为12.893MPa，底缘正截面最大压应力为13.407MPa，容许最大压应力0.5fck=16.200MPa。斜截面最大主压应力为13.272MPa，容许最大主压应力0.6fck=19.440MPa。桥梁持久状况应力计算结果均满足规范要求，且安全富裕度较高。

4.5 短暂状况应力验算

在荷载标准组合下，桥梁在各施工阶段的顶缘正截面最大压应力为8.620MPa，底缘正截面最大压应力为14.941MPa，容许最大压应力为0.7f' ck=18.760MPa。桥梁短暂状况应力计算结果均满足规范要求，且安全富裕度亦较高。

5 现场施工反馈

在实际施工过程中，预制斜转正T梁安装便捷，架设速度快，使桥下交通能够较快恢复，得到建设单位、施工单位、地方交通等一致好评。

在主梁预制过程中，施工单位准备立模浇筑时发现各梁长不同，斜交墩顶位置端横梁的预制部分构造较为复杂，模板种类过多且无法重复利用，造成施工进度缓慢和材料浪费，因此，在保障结构安全的前提下，现场采用梁肋预制+横梁现浇的模式对上部结构进行动态设计调整，并取得了良好的效果。具体做法为横梁在梁肋与翼缘板范围内预制并伸出预埋钢筋，而在湿接缝范围的横梁全部采用现浇，通过预埋钢筋与预制梁将其永久连接，保障结构整体的安全性。

6 预制T梁斜转正设计探讨

预制T梁斜转正上部结构受力特征与正交桥梁有较大不同，针对该类桥梁上部结构设计提出以下几点设计经验。1）预制结构采用梁格法可以较好地模拟结构实际受力情况，但建模时要合理确定横向联系梁的尺寸。2）结构内力分布很大程度上受到边界条件的约束作用影响，合理选用支座形式，有利于释放位移，减少因温度作用、预应力张拉、混凝土收缩徐变等产生的次内力。3）T梁截面为开放式截面，扭矩会对结构产生较大的不利影响，且当构件共同承受剪扭作用时，抗剪性能会降低[2]，设计时应适当加密箍筋间距并加强腹板钢筋。4）斜转正各跨理论跨径不同，配束时应根据不同主梁正弯矩分布情况合理设置，且应注意区别各主梁墩顶负弯矩位置钢束的布置。5）相同墩顶位置支反力分布不均匀，支座选型需要综合考虑不同的支反力结果，通常以最不利节点位置为准。6）设计时应充分考虑施工条件，在保障安全的前提下可以适当对细部构造进行优化。

7 结语

本文根据工程实际，对斜转正预制T梁上部结构进行计算分析，阐述其受力特征并分析原因，并结合施工期出现的具体问题，分享经验，为后续同类型桥梁设计和分析提供参考。

参考文献

[1]李健，王彬鹏. 预制斜转正桥梁受力特征与设计分析[J]. 智能城市，2020（8）：27-28.

[2]中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362—2018 [S].北京：人民交通出版社，2018：21-67.

[3]中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015 [S].北京：人民交通出版社，2015：28-29.

[4]戴公连，李德建. 桥梁结构空间分析设计方法与应用[M]. 北京：人民交通出版社， 2001.