连续T梁墩梁固结后结构受力影响分析

蒋晨旭，高 宝

(浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)

连续T梁墩梁固结后结构受力影响分析

蒋晨旭，高 宝

(浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)

简支变连续T梁是公路建设中常用的一种结构形式，对于山区高墩桥梁，可以将桥墩与主梁固结，以改善墩身受力，提高整体稳定性。以山区高墩桥梁为例建立全桥模型，对墩梁固结及支座体系进行静力分析，得到不同工况下的结构内力，并对其变化趋势进行了分析比较。

T梁；墩梁固结；结构受力；分析

1 概 述

目前，在国内公路建设中，常规桥梁一般采用标准化跨径的装配式结构，如空心板、组合箱梁、T梁等。考虑到结构受力及车辆行驶的舒适性，上述预制梁板常采用先简支后连续的结构体系。对于山区高速公路，往往存在以高墩桥梁的形式跨越沟谷或山涧，此时上部结构的水平力对桥梁墩柱将产生极大的弯矩及水平位移，为了改善桥墩结构受力，提高桥梁整体稳定性，可考虑采用墩梁固结的结构形式。该方案具有连续刚构桥梁的优点，对于改善桥墩受力及变形具有明显的作用，且无需更换支座，后期保养方便，桥梁整体稳定性好。因此墩梁固结在山区高墩桥梁中具有良好的应用前景，对其结构体系的受力分析具有较大的实用意义。

2 墩梁固结连续T梁结构体系的变化

墩梁固结连续T梁施工流程：① T梁预制，同时施工桥梁下部结构；②架设T梁；③梁板湿接缝浇筑，同时通过盖梁预埋钢筋与T梁墩顶现浇湿接缝连接，张拉墩顶负弯矩束；④ 拆除临时支座，施作桥面系；⑤ 施工结束，桥梁运营。

(a) 墩梁固结前T梁结构自重弯矩示意图

(b) 墩梁固结后竖向均布力作用下弯矩示意图

(c)墩梁固结后水平力作用下弯矩示意图图1 桥梁结构受力弯矩示意图

根据施工流程，桥梁在墩梁固结前后为不同的结构体系，在流程②T梁架设后，梁体在梁端支撑于支座或临时支座上，形成简支梁，此时梁体为静定结构，该阶段收缩徐变、温度变化等均不会在结构中产生附加内力，梁体只承受自重效应产生的正弯矩作用，一般在跨中位置为弯矩最大值(见图1(a))。

流程③施作后桥梁上下部形成刚构体系，T梁与桥墩互相约束，梁、墩两者的受力分配将由其相对刚度决定。(1)当梁体在二期恒载及活载等竖向荷载作用下(图1(b))，梁体跨中产生正弯矩，墩顶处产生负弯矩，由于支点负弯矩的卸荷作用，后期竖向荷载产生的跨中正弯矩显著减小。同时，与一次落架的连续体系相比，由于预制梁不产生负弯矩，因此T梁在中支点比一次落架连续梁的负弯矩值要小的多。由于墩梁固结，墩柱对梁体产生了一定的约束作用，此时桥墩也将会产生一定的弯矩。(2)墩梁固结后，在水平力的作用下，墩顶及梁体均会产生较大的弯矩值，如图1(c)所示，梁体在支点处弯矩值最大，向跨中或边支点方向逐渐变小；墩身弯矩随截面高度的降低具有先减小后加大的变化趋势，并在墩柱顶底产生反向弯矩。(3)固结体系超静定次数多于连续梁支座体系，在收缩徐变、温度变化及基础沉降等工况作用下产生的次内力效应也更为明显[1-3]，因此在设计时需引起重视。

3 算例分析

某山区高速公路桥梁(见图2、图3)，单幅宽度为12.5m，上部采用50m连续T梁，下部采用空心薄壁墩，墩高60m左右，采用墩梁固结的结构形式。本文以三跨一联为例，对简支变连续结构按设置支座及墩梁固结两种不同的体系进行受力影响分析。

图2 T梁标准横断面示意

图3 桥梁总体布置(3×50mT梁)

3.1 计算模型

本文对桥梁结构的总体受力进行分析，不针对具体单梁，采用桥梁博士软件按3×50m一联建立全桥结构模型，分别按设置支座连接及墩梁固结进行计算，为了体现墩高影响的差异性，墩梁固结体系按墩高30～80m分别计算。

计算体系1：2、3号墩采用墩梁固结，其余墩顶采用滑动支座；

计算体系2：2号墩采用固定支座，其余墩顶采用滑动支座；

计算假定：① 本项目位于山区，浅层即入岩，桥墩在承台底固结； ② 忽略滑动支座的摩阻力；

计算参数选取：车道荷载：按公路-Ⅰ级，单向3车道计；支座不均匀沉降：桩基入岩，墩柱按5mm不均匀沉降计； 温度荷载：按整体升降温20℃计；收缩徐变：大气平均相对湿度取80%，收缩徐变天数按10年考虑。

3.2 计算结果与分析

主梁以受弯为主，受剪次之，轴力影响相对较小；桥墩为偏压构件，其受力性能受弯矩及轴向力共同控制，一般弯矩起主导作用，并受杆件计算长度的影响。限于篇幅，本次主要取主梁的弯矩、墩柱的弯矩进行比较分析，同时，对于墩顶的水平位移也进行了比较。

计算荷载效应考虑了恒载、收缩徐变、活载(含冲击力及制动力)、整体升降温、梯度温度、不均匀沉降等作用的影响，为了便于分析，不计入风荷载的影响，不考虑分项组合系数，按标准值组合计算。

3.2.1 上部梁体内力变化

根据计算结果，梁体跨中弯矩均为正值，1#墩墩顶最大弯矩为正值，最小弯矩为负值，且体系1固结点两侧弯矩将会根据墩梁的刚度分配产生突变，因此选取跨中正弯矩及墩顶两侧正负弯矩进行内力比较。取墩高为x轴坐标，以不同墩高在墩梁固结体系下的弯矩比(体系1弯矩值/体系2弯矩值)为y轴坐标，得到在不同工况下弯矩内力的比较结果(如图4)。

图4 体系1与体系2梁体弯矩比

从图4可以看出：墩梁固结后，上部结构在跨中弯矩极值变化较小，跨中弯矩比在4%之内；墩顶弯矩变化相对较大，最大弯矩的比值变化范围为0.7～1.7，最不利效应位于中跨侧，最小弯矩的比值变化范围为1～1.3，最不利效应位于边跨侧。因此，墩梁固结后，上部结构跨中正弯矩基本与原体系一致，对其弯矩效应不需做特殊设计；但梁体在墩顶附近，内力变化较为明显，其最不利效应一般大于支座体系，设计过程中需注意体系变化对结构内力产生的影响。

3.2.2 下部墩柱内力及墩顶位移变化

(1)不同体系下墩身截面变化的影响

墩梁固结以后墩柱与梁体互相约束，墩身截面刚度的变化对整体结构受力将会产生较大的影响，因此选取不同的截面尺寸，进行比较各工况下内力的变化。

假定墩高60m，墩身截面尺寸见表1：

表1 墩身截面尺寸参数表

以墩顶至计算截面的距离为x轴坐标，不同墩身截面在墩梁固结体系下的弯矩值为y轴坐标(正弯矩指的是边跨侧受拉)，得到在不同工况下桥墩沿墩身变化的弯矩内力值，见图5。

图5 墩高60m不同截面尺寸下墩柱弯矩

从图5可以看出：

1)体系2墩顶弯矩为0，控制截面即弯矩最大值位于墩底；而体系1受上部结构的约束，在墩顶即产生弯矩，一般控制截面位于墩顶或墩底。

2)对于同一墩高，体系2在不同的截面尺寸下其墩柱弯矩值不变；体系1受截面刚度影响，其弯矩极值将会随着截面尺寸的加大而增加，如截面1时最大弯矩12 875kN，截面5时最大弯矩18 721kN。因此在设计过程中，需注意截面尺寸变化对墩身内力变化的影响，综合考虑不同截面墩柱内力大小与结构抗力后选择合适的墩身截面尺寸。

(2)不同体系下墩高变化的影响

取墩高为x轴坐标，以墩顶或墩底弯矩极值为y轴坐标，得到在不同工况下桥墩弯矩极值随墩高变化的曲线，见图6。

图6 不同墩高情况下墩柱弯矩

从图6可以看出：

1)对于矮墩，体系1墩身弯矩明显大于体系2，而随着墩高增加，体系1弯矩值逐渐变小，且变化趋势渐缓，体系2弯矩值线性增加。当墩高位于45m左右时，两种体系墩身弯矩极值较为接近，同时考虑到固结与支座体系计算长度[4]的不同，此时固结墩配筋量将小于非固结墩，因此当墩高大于45m时，采用墩梁固结，可节省材料，降低工程造价。

图7 不同墩高情况下墩顶水平位移

2)当墩身截面尺寸保持不变时，体系1墩身弯矩极值会随着墩高的增加从墩底转移到墩顶。当墩高小于55m，弯矩极值位于墩底，当墩高大于55m时，弯矩极值位于墩顶。

(3) 墩柱在不同体系及工况下的墩顶水平位移

从图7可以看出：随着墩高的增加，体系1墩顶水平位移增长缓慢，而体系2水平位移急剧加大，如墩高80m的时候，非固结墩墩顶位移17.3cm，而固结以后位移值仅为4.4cm，因此对于高墩，墩梁固结可有效控制墩顶水平位移。

4 结 语

对墩梁固结与否两种结构体系，通过建立有限元模型，对其内力及墩顶位移进行了分析比较，得到如下结论：

(1)墩梁固结后，梁体跨中弯矩的变化较小，基本与原体系一致，对其弯矩效应不需做特殊设计；但在墩顶附近，弯矩变化较为明显，最不利效应一般大于支座体系，设计过程中需注意体系变化对结构内力产生的影响。

(2)支座体系控制截面一般位于墩底；墩梁固结后其控制截面位于墩顶或墩底。

(3)墩梁固结后，墩身弯矩极值将会随着截面尺寸的加大而增加，设计中需注意截面尺寸变化对墩身内力变化的影响。

(4)对于同一截面尺寸，矮墩固结时墩身弯矩极值明显大于非固结体系，高墩固结后其弯矩极值明显小于非固结体系，因此对于墩高较矮的桥梁，不适宜采用墩梁固结的形式，而对于山区高墩桥梁，采用墩梁固结，可节省材料，降低工程造价。

(5)高墩固结后可有效的控制墩顶水平位移。

通过上述计算及分析，可以对T梁墩梁固结后的内力变化有更进一步了解，对类似结构的桥梁设计具有一定的参考意义。需要指出的是，本文仅对桥梁进行了整体结构分析，墩梁固结后在固结处存在局部应力集中现象[5]，设计时也需引起注意。

[1]肖汝诚，等. 桥梁结构体系[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]刘效尧，徐岳.梁桥[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3] 陈冠华，房贞政.T梁与墩固结体系桥梁的应用及内力分析[J].福建建筑，2005，93(3)：1-2.

[4]JTG D62-2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5]黄萍.T梁连续刚构桥梁墩梁固结节点模型有限元分析[J].公路，2013，(8)：75-79.

The Force Analysis of the Continuous T-beam Fixed with Pier

JIANG Chen-xu, GAO Bao

(Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning,Design & Research,Hangzhou 310006,China)

The simply supported-continuous T-beam is a common structural form of the highway construction. For high pier bridge in mountain area, in order to improve the stress of the pier and enhance the overall stability, the pier and the girder can be consolidated. In this paper, the whole bridge model is established by taking the high pier bridge in mountain area as an example. According to the Static analysis of Pier-Girder consolidation and support system, the internal force of the strcture under different working conditions is obtained, and the change trend is analyzed and compared.

T-beam; Pier-Girder consolidation; structural stress ; analysis

2017-03-28

蒋晨旭(1977-)，男，江苏宜兴人，工程师，硕士，E-mail：9181639@qq.com。

U441

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.02.001

1671-234X(2017)02-0001-04