装配式宽桥横隔板优化

肖凯龙, 秦发祥, 黄叙钦

(长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

自20世纪80年代起,中国公路、铁路桥梁建设发展十分迅速,为了适应日益增加的人流量和车流量,桥梁被设计的越来越宽,装配式预应力梁桥以其施工速度快、预制化程度高受到了重视.一般认为当桥梁的宽跨比大于0.5时,可以被视为宽幅桥,而横隔板作为宽桥中保证各梁连接为整体工作的重要构件,对于装配式桥梁的整体性起着至关重要的作用.

国内外对于装配式梁桥中的横隔板已经做了较为系统的研究.牛艳伟[1]基于5片T梁的有限元模型,研究了横隔板对于载荷横向分布规律以及结构受力的影响.吕玉匣[2]对不同T梁横隔板对载荷横向分布系数进行了研究,讨论了横隔板数量的合理值.刘润阳[3]对于T梁横隔板3种不同连接状态对结构受力的影响进行了研究, 分析了横隔板出现病害后对结构的影响. 魏光明[4]研究了装配式空心板桥中横隔板对于其受力的影响. 文献[4-10]研究表明, 横隔板的设置可以大幅改善桥梁受力情况, 使桥梁载荷横向分布更为均匀.

综上,对于装配式宽桥中的横隔板位置优化研究相对缺乏.因此本文建立跨径为20m和40m连续宽T梁桥不同宽跨比有限元计算模型,通过改变横隔板布置位置和数量,比较不同横隔板位置对中梁最大挠度的影响,明确了宽T梁桥最优布置数量和位置.

1 建立有限元模型

取不同宽跨比下(0.75、1.00、1.25、1.50)桥宽的T梁截面宽幅连续梁桥,结构离散为纵横向的梁格,20 m连续宽T梁模型主梁跨径为4×20 m,每片主梁宽2.356 m;40 m连续宽T梁模型主梁跨径为3×40 m,每片主梁宽2.5 m.车道载荷采用《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2015)由桥面中心线向两侧布置,计算横隔板数量及位置的变化对于结构挠曲变形的影响.

(1) 20 m跨径连续宽T梁.将全桥横隔板布置情况分为2片、3片、4片和5片4种布置情况建立计算模型,加载模型按照横隔板的安装数量不同,分为4种模型,具体见图1.横隔板具体布置位置见表1和图2.

图1连续宽T梁桥全桥计算模型

Fig.1 Calculation model for full bridge of continuous wide T beam bridge

横隔板数量/片横隔板位置2A、E3A、C、E4A、B、D、E5A、B、C、D、E

(2) 40 m跨径连续宽T梁.将全桥横隔板布置情况分为2片、3片、4片、5片和7片5种布置情况建立计算模型,加载模型按照横隔板的安装数量不同,分为5种模型,具体见图3.横隔板具体布置位置见表2和图4.

图3连续宽箱梁桥全桥计算模型

Fig.3 Calculation model for full bridge of continuous wide box girder bridge

图4 全桥有限元模型横隔板位置布置图Fig.4 Layout of diaphragms in finite element model of full bridge

横隔板数量/片横隔板位置2A、G3A、D、G4A、C、E、G5A、C、D、E、G7A、B、C、D、E、F、G

2 连续宽T梁桥横隔板布置优化

装配式梁桥梁结构受力可以通过载荷横向分布系数进行简化研究,通常认为主梁所承受载荷与其挠度成正比,因此本文假定主梁所分配载荷与其挠度成正比,为研究最不利载荷组合作用下横隔板片数及位置对中梁跨中挠度值变化情况,逐渐在有限元模型跨中增加横隔板片数,由于本文有限元模型中主梁片数随宽跨比的增加而增加,不能简单地确定某一片主梁挠度的变化规律,故下文仅讨论不同宽跨比的情况下中梁最大挠度变化.

(1) 20 m跨径连续宽T梁.为研究最不利载荷组合作用下跨径为20 m宽桥结构随横隔板片数增多中梁跨中挠度值变化情况,逐步增加中横隔板数量,得到各不同横隔板布置组合下中梁最大挠度变化趋势,如表3、图5和图6所示.

图5 不同宽跨比下中跨最大挠度变化图

图6 不同宽跨比下边跨最大挠度变化图

宽跨比横隔梁数量/片中跨挠度/mm相对差值/%边跨挠度/mm相对差值/%0．75210．7009．58738．855218．3311548．954-18．371058．76328．17321．00210．7109．49239．490138．767849．30128．582259．380-18．660-11．25211．0239．82639．768138．7261349．75508．673159．53328．50521．50210．6769．45439．485118．4571249．47808．466059．15038．2413

注： 相对差值为本次挠度计算结果与前次挠度差值的比值,下同.

由图5和图6可知,20 m连续T梁在不同宽跨比(0.75、1.00、1.25、1.50)条件下,中横隔板的设置(3横隔板模型)可以使载荷沿横向更好地分布,有效地降低13%～20%中梁中跨和边跨最大挠度值,当继续在跨中横隔板两侧设置横隔板时(5横隔板模型),挠度值降低约1%～3%(表3).当不在跨中布置横隔板,而在中跨两侧约1/4处布置横隔板(4横隔板模型),最大挠度减小值与只在跨中布置横隔板效果大致相同,不会继续降低最大挠度值,反而有可能增大中梁最大挠度值.由表3可知中梁中跨最大挠度相对差值随宽跨比的增加而减小.工程上布置5片横隔板时一般采取均分布置,故本文计算了20 m跨径5片均布横隔板情况下中梁中跨和边跨最大挠度并与表1中5片横隔板挠度值进行比较,计算结果显示挠度差值在0.1 mm以下,因此认为二者基本相同.

(2) 40 m跨径连续宽T梁.为研究最不利载荷组合作用下跨径为40 m宽桥结构随横隔板片数增多中梁跨中挠度值变化情况,逐步增加中横隔板数量,得到各不同横隔板布置组合下中梁最大挠度变化趋势,如表4、图7和图8所示.

表4 载荷作用下中梁最大挠度Table 4 Maximum deflection of middle beam under load

由图7和图8可知,在不同宽跨比条件下40 m连续宽T梁设置端横隔板后,跨中设置横隔板(3横隔板模型)的可以使中跨跨中最大挠度减少34%～35%(表4),边跨跨中减少26%～27%,继续在跨中两侧1/3处设置两片横隔板(5横隔板模型)可以使中跨跨中最大挠度较3横隔板模型降低20%,边跨跨中最大挠度减小14%,继续增加跨中横隔板横隔板(7横隔板模型),中梁最大挠度值只降低了3%～4%.当在跨中两侧1/3处布置两片横隔板,跨中不布置横隔板时(4横隔板模型),边中跨最大挠度大约只降低5%～7%,但仍能较3横隔板模型有一定程度的降低,不会出现增大中梁最大挠度的现象(表4),且宽跨比的增加对中梁最大挠度相对差值影响不明显.工程上布置5片横隔板时一般采取均分布置,故本文计算了跨径为40 m的5片均布横隔板情况下中梁中跨和边跨最大挠度并与表2中5片横隔板挠度值进行比较,计算结果表明挠度的差值在0.2 mm以下,因此认为二者基本相同.

图7 不同宽跨比下中跨最大挠度变化图

图8 不同宽跨比下边跨最大挠度变化图

3 结 论

(1) 对于跨径为20 m的宽T梁桥,当设置端横隔板之后,仅在跨中设置1片横隔板就已经可以使载荷达到很好的分布效果,大幅度降低中梁最大挠度;对于跨径为40 m的宽T梁桥设置5片横隔板就可以使各梁载荷分配均匀,继续增加横隔板对载荷分布已不明显.

(2) 随着宽跨比的增加,跨径为20 m宽T桥各梁受力趋于均匀,横隔板不同布置位置对宽桥结构受力影响变小;对于跨径为40 m宽T梁,宽跨比对于各梁受力影响较小.

(3) 跨径为20 m连续宽T梁桥在布置端横隔板的情况下,布置跨中横隔板和在两侧布置对于宽桥主梁受力影响大致相同.

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