预应力简支T梁桥参数化计算分析系统设计和实现

肖明洋,王 维

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

预应力简支T梁桥参数化计算分析系统设计和实现

肖明洋,王 维

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

预应力简支T梁是一种常见的桥梁结构形式，由于水电站道路通行的特殊车辆种类较多，设计时需对各种特殊车辆进行计算分析，过程十分繁琐。本文将此类桥梁的主要设计变量参数化，编制程序实现自定义交通荷载横向分布系数计算及横梁、桥面板验算，并基于Midas Civil的数据接口自动建立整体分析模型，缩短了此类桥梁的设计周期，实现了计算分析的标准化。

简支T梁桥;MCT数据接口;桥面板计算;横梁计算;自定义交通荷载

0 前 言

预应力简支T梁桥是公路设计中最常见的桥型之一，通常参照标准图设计，在水电站相关桥梁设计中，由于桥梁宽度、交通荷载等级、桥梁横向布置、非标准跨径等因素通常需要对标准图进行修改，并进行各项计算，以满足规范的相关要求。通常，现有的设计计算流程如图1所示。与普通公路设计不同，水电站相关交通设施通过的材料、设备等大件运输较为普遍，设计过程中需要对多种交通荷载分别进行校核，过程繁琐。本文对T梁桥计算过程进行抽象，将T梁桥和各类交通荷载参数化，实现各汽车/挂车荷载作用下的桥面板和横梁自动计算，同时利用Midas Civil程序的MCT数据接口纵向自动建立

边、中T梁的整体计算模型。结合藏木水电站场内交通的某预应力简支T梁的设计过程进行验证。

图1 预应力简支T梁设计的一般计算过程

1 结构和荷载的参数化

系统设计的第一步是对预应力简支T梁桥和其承受的荷载进行参数化，用一组标准化的数据来描述桥梁的主要设计变量，参数化的过程既需要考虑设计习惯，使参数尽可能少，又要保证需要修改的设计变量能够充分开放给工程师。结构和荷载参数分类如图2所示。

图2 结构和荷载参数分类

桥梁参数中，桥面布置信息为护栏、人行道、行车道宽度布置及铺装层厚度；普通钢筋信息包括T梁的底面主筋、跨中及支点箍筋，桥面板的主筋，横梁的顶底面主筋、箍筋信息。T梁及横隔梁尺寸包含两类构件的截面尺寸及其位置分布；预应力钢束形状通过弯起角度、弯曲半径、跨中高度、锚固位置四个参数进行描述。

荷载选取简支梁计算过程中主要考虑的6类荷载即：结构自重、二期恒载、预应力荷载、温度梯度、汽车/挂车荷载、人群荷载，由于结构自重和预应力荷载相对固定，无需专门描述。其中汽车/挂车根据现行规范，分为3类：(1)分布荷载+集中荷载的车道荷载模式，如现行桥涵规范中的公路I级[5]、城-A荷载等;(2)单车轮载列+最小间距描述汽车荷载，单车数量不限制，如汽-60、汽-80荷载等[3];(3)特殊挂车荷载，车头+挂车轮载列描述，全桥居

中布置1辆，不计冲击系数，如特-160、特-300等[3]。由于不同种类构件计算需要不同的荷载模式，自定义交通荷载时，需要指定每种交通荷载的纵向总体加载模式、纵向局部加载模式和横向局部加载模式三种模式，如公路I级荷载需要描述车道荷载、车辆荷载纵向布置、车辆荷载横向布置(含车轮着地宽度信息)。

2 功能模块设计

在参数化完成的基础上，以目标为导向划分为纵梁模型生成模块、桥面板及横梁计算三个功能模块，并逐一进行设计。各功能模块的子模块划分如图3所示。

图3 各功能模块的子模块划分

2.1 纵梁模型生成模块

Midas Civil是一款国内桥梁设计领域常用的桥梁有限元软件之一，该平台上，工程师可以通过文本格式MCT文件建模替代手工界面操作，从而加快建模速度。该模块首先通过按照修正的偏心压力法计算各纵梁的横向影响线[1]，基于动态规划的影响线加载算法进行影响线加载[2],求得每片T梁的横向分布系数；根据桥梁结构特殊点(如横梁位置、支座位置、变截面位置等)和用户输入的参考单元尺寸，对纵梁进行智能的单元划分，生成节点单元坐标和编号信息，计算钢束坐标并关联到单元，最后按照数据格式的要求生成MCT文件，包含不同交通荷载工况下的中梁及边梁计算模型，用户可以直接在Midas Civil平台上运行MCT文件，生成对应计算模型，高效完成计算分析工作。

2.2 桥面板计算模块

T梁的桥面板属于局部构件，按现行规范的计算过程难以采用标准的有限元软件进行。T梁桥的横梁间距一般情况都大于纵梁间距的2倍以上，根据规范规定可按单向板进行计算。T梁的边梁外侧悬臂板，由于护栏宽度、人行道及车轮距离路沿石最小距离的限制，一般不起控制作用，系统设计时未考虑悬臂板计算的情形，仅按照单向板对桥面板进行计算，能满足绝大多数简支T梁桥的计算需求。该模块首先按照交通荷载的局部纵向加载模式计算桥面板有效分布宽度，然后对等效简支板的跨中弯矩和支点剪力影响线加载，经过换算得到单位宽度桥面板的实际弯矩和剪力，并对板跨中和支点截面的抗弯承载力和最大裂缝宽度进行验算，对支点截面的抗剪承载力按无腹筋板进行验算[4]，最后输出详细的计算书。

2.3 横梁计算模块

一般的预应力混凝土T梁的中横梁对设计起控制作用[1]，该模块首先按照杠杆法计算中横梁的纵向影响线，并根据交通荷载的纵向局部加载模式对其进行影响线加载，然后按照弹性支撑连续梁计算模型，计算中横梁每个支点两侧截面和跨中截面的内力影响线，并按照横向局部加载模式进行横向加载，求得横梁的最不利正负弯矩和剪力，最后进行抗弯承载力、裂缝宽度验算及抗剪承载力验算，并输出详细的计算书供用户参考和复核。

3 计算实例

以藏木水电站场内交通工程的某5-40 m预应力简支T梁桥为例，其设计汽车荷载为汽-60级。采用本系统，中梁的Midas Civil计算模型如图4所示。桥面板和横梁主要计算结论如表1所示。

图4 Midas Civil平台中的纵向中梁的整体计算模型

验算项目计算值允许值是否满足桥面板单位板宽跨中抗弯/kN·m32.449是桥面板单位板宽支点抗弯/kN·m45.468.6是桥面板单位板宽支点抗剪/kN150221.8是桥面板跨中最大裂缝宽度/mm0.090.2是桥面板支点最大裂缝宽度/mm0.10.2是横梁正弯矩抗弯/kN·m7871234是横梁负弯矩抗弯/kN·m727927是横梁抗剪承载力/kN6921034是横梁顶面最大裂缝宽度/mm0.120.2是横梁底面最大裂缝宽度/mm0.10.2是

4 结 论

采用本系统后，仅通过修改少数设计变量，就能实现自动建立预应力简支T梁桥主梁纵向整体有限元模型，对桥面板、横梁等局部构件进行自动验算；通过自定义荷载功能，也能方便快捷对运输水电站大件设备的非标准挂车荷载的通过性进行检查，提高了计算分析效率；同时，标准化计算降低了工程师手动建模和手算过程中出错的概率，提高了结构设计的可靠性。

[1] 范立础.桥梁工程[M]，北京：人民交通出版社，2001.

[2] 石志源.桥梁结构电算[M]，北京：人民交通出版社，2011.

[3] NB/T 35012-2013.水电工程对外交通专用公路设计规范[S].2013.

[4] JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].2004.

[5] JTG D60-2004.公路桥涵设计通用规范[S].2004.

2016-09-02

肖明洋(1986-)，男，四川岳池人，硕士,工程师，从事桥梁设计工作。

U441.2

B

1003-9805(2017)01-0092-02