宽幅装配式T梁桥荷载试验及横向分布分析方法研究

傅立军，李院军，王新伟

(1. 河南省新伊高速公路有限公司 郑州市 450000； 2. 长安大学 公路学院 西安市 710064；3. 临沭县交通运输局规划科 临沂市 276700)

0 引言

随着社会经济的快速发展，公路网规模不断扩大，车流量以及行驶速度也随之增长，为了适应交通量的快速增长，道路的宽度必定相应增大，装配式宽梁桥在设计建设中扮演着越来越重要的角色。尤其是在城市主干道市政桥梁建造中，随着车流量的激增，桥梁宽度越来越大，有的甚至超过80m，导致宽跨比大于1，甚至更大。当梁桥宽跨比(B/L)增大时，桥梁的整体受力变得不同，结构有着显著空间效应，原有的荷载横向分布系数计算方法可能会失真，故亟需对宽幅装配式梁桥荷载横向分布系数计算方法的适用性进行研究[1]。

目前在国外研究中，英国BS5400桥规[2]在荷载规范中定义了荷载横向分布，但没有将荷载横向分布系数的公式板书出来；美国 AASHTO 规范[3]通过对大量实测数据研究分析得到关于荷载横向分布的函数关系式；日本的“国有铁道混凝土结构设计标准解说”，将求荷载分布系数的GNl法及德国的Leonhardtd法用表板书在了附录中[4]。国内学者也做了有益的工作，聂瑞锋等[5]建立考虑不同参数影响因素的有限元桥梁结构模型，得出了计入结构性能退化的弯矩横向分布系数理论研究方法。翟锐[6]在其论文当中采用单梁有限元法计算连续体系桥梁参数γ，而后基于铰接板法对连续体系桥梁荷载横向分布进行了求解，计算结果与空间有限元法所得结果一致，验证了这种改进方法的有效性。潘言全等[7]利用荷载横向分布理论及有限元法相结合，提出对于较宽的板桥采用有限元法分析其横向分布比较合理。 周建庭等[8]对宽跨比较大的简支板桥，建立不同宽跨比的有限元实体模型，根据模型分析结果同传统荷载横向分布理论方法得到的结果之间的差别，研究得出较为精确的内力简化计算关系式。陈强等[9]在比拟正交异性板法计算理论基础上，进一步研究推导出大宽跨比桥梁结构荷载横向分布函数关系式。

可见，大部分的研究，主要针对简支装配式窄桥，使研究结果的适用范围受限，且计算荷载横向分布系数的方法较少，一般使用铰接板法或G-M法(比拟正交异性板法)，使得对比方法局限性。此外，对宽桥荷载横向分布系数现有方法的修正，都只是来源于单纯是数据分析，而缺乏理论推导，因此需要对装配式宽桥的荷载横向分布系数进一步研究。

依托胡家寨分离式立交桥，针对装配式宽幅梁桥荷载横向分布系数进行研究，采用修正偏心压力法、刚接梁、G-M法和梁格法计算跨中截面荷载横向分布系数，最后用该桥的荷载试验结果作为标准进行对照，以寻求宽幅装配式T梁桥的横向分布规律和计算方法的适用性。

1 工程背景

胡家寨分离式立交桥中心桩号为 K15+897.46，孔径 3×20m， 桥梁全长 66m，宽跨比为1.0，主梁片数为8片，梁高1.5m。桥宽19.5m，布置形式为0.5m+18.5m(行车道)+0.5m。上部结构形式为预应力混凝土 T 梁，下部为圆柱式墩，桩基础；肋板台，桩基础。全桥立面图见图1。

2 已有分析方法

2.1 分析方法

主要分析宽幅装配式梁桥跨中截面的荷载横向分布问题，并根据已有关于荷载横向分布问题的研究成果，采用刚接梁法、修正偏心压力法、G-M法和梁格法这四种方法，对比分析计算结果，寻求大宽跨比下装配式T梁桥荷载横向分布最优计算方法及荷载横向分布具体规律。

有限元法使用Midas Civil建模，单元采用梁单元，有限元模型见图2。计算荷载横向分布系数的过程为：分别在各梁跨中施加集中荷载，然后读取相应梁的跨中挠度值，并与各梁跨中挠度值相比，即得到各片梁的横向分布影响线，接着绘制影响线，并在影响线上进行最不利加载，最后可求得荷载横向分布系数[10]。

2.2 分析结果

装配式梁桥荷载横向分布能力一般以主梁的影响线和荷载横向分布系数来反映，由第1小节可知，胡家寨分离式立交桥由8片左右对称的梁组成，故选取1#～4#梁进行横向分析。

(1)影响线

通过四种计算方法，分别计算4片梁的影响线竖标值，再把对应梁号处的影响线竖标值连起来，便可得到该片梁的影响线，具体结果见图3。

对于1#梁影响线，如图3(a)所示，1#梁影响线竖标值最大值在1#梁处，随着离1#梁越来越远，刚接梁法、G-M法和梁格法三种计算方法的影响线竖标值以曲线形式下降，而修正偏心压力法则以直线方式递减。前者三种方法计算的影响线竖标值变化较为相近，相对误差都在5%以内，而偏心压力法与其他三种方法的计算结果误差较大。对于2#梁～4#梁影响线，如图3(b)、图3(c)和图3(d)所示，由3幅图可知，每片梁的影响线竖标值最大值就是对应梁号处，随着由1#梁～4#梁，刚接梁法、G-M法和梁格法三种方法计算结果相对误差及趋势较为相近，可见三种计算方法的正确性，而修正偏心压力法前后的趋势皆为直线下降，明显与桥梁实际情况严重不符。

(2)荷载横向分布系数

根据上述计算的每片梁的影响线，再进行最不利加载，便可得到四种计算荷载横向分布系数计算方法的结果，因暂未有实桥的数据，此外有限元梁格法现模拟装配式梁桥已经较为准确，则以梁格法为基准进行比较，具体结果见表1和图4，可以从中比较计算结果的差值。

表1 边跨宽跨比1.0荷载横向分布系数对比表

结果分析：

①对于修正偏心压力法，由表1和图4可知，从边梁到中梁荷载横向分布系数逐渐减小，反映了其横向受力分布规律。修正偏心压力法计算结果与有限元梁格法结果对比误差较大，最大误差达-20.97%，远远超出工程允许误差。由此可知，修正偏心压力法不适用于宽幅装配式T梁桥荷载横向分布系数的计算，分析其原理可得，由于修正偏心压力法假设桥梁横向刚度为无限大，修正后也只能改变主梁横向分布影响线的斜率，不能改变其线性变化性质，而对于宽幅桥其横桥向较为宽，往往不能满足假设，随着桥梁宽度越宽，其横向刚度越小。

公路桥梁施工管理的养护和加固技术对于工程质量提升具有重大影响。工程建设中，施工人员只有充分认识到公路桥梁养护及加固技术应用的必要性，并在分析其应用特征的基础上，进行较高质量的养护和加固技术应用，才能实现其应用质量的提升，进而推动公路桥梁工程的良性、可持续发展。

②对于刚接梁法，由表1和图4可知，其计算结果与梁格法相比误差较小，误差范围在-0.42%～1.84%，1#梁、2#梁为正误差，3#梁、4#梁为负误差，其结果误差都在工程允许范围内，因此，刚接梁法适用于宽幅装配式T梁桥荷载横向分布系数的计算。

③对于G-M法，由表1和图4可知，其计算结果与梁格法相比误差较小，最大误差仅为-3.51%，1#梁、2#梁为负误差，3#梁、4#梁为正误差，其结果符合工程使用要求，故对于宽幅装配式T梁桥荷载横向分布系数的计算可用G-M法计算。

3 荷载试验分析

3.1 试验目的和内容

通过加载试验，记录桥梁在荷载作用下的结构反应，为桥梁结构技术状况及承载能力评定和日后养护、维修、加固的决策提供科学依据和支持。荷载试验的内容为控制截面的静动载试验，其中主要为相应加载工况下测试截面或桥跨等分点处挠度。

3.2 测点布置与加载方式

胡家寨分离式立交桥为3×20m的装配式连续梁桥，现根据规范要求，选取第2跨和第3跨做为试验跨，共两个测试断面，分别为A1-A1、C1-C1，具体位置见图5。挠度测试截面及测点： 在A1-A1、C1-C1截面横向布置 8个测点。

本次试验共4个工况，每个测试断面都有偏载和中载，其中偏载和中载皆为3辆加载车，布载方式按照规范要求横向间距布置车辆。按照分级加载方式进行加载，分为3级，详细车辆布置情况见图6。

3.3 结果分析

因篇幅限制，荷载试验仅考虑偏载情况下，按照规范加载，有限元方法、GM法和刚接梁法皆用此加载方式。可根据偏载情况下，实测的各片梁跨中截面挠度值与各片梁跨中截面挠度值之和之比来计算跨中截面荷载横向分布系数，计算公式为式(1)。

根据相关文献[11]得知，实桥挠度计算横向分布系数计算公式为：

(1)

fi—为各主梁实测挠度值。

(1)影响线计算

整理荷载试验每片梁的挠度值，便得到实测每片梁的影响线，再把第2小节中刚接梁法、G-M法和梁格法三种方法计算的影响线进行对比，因篇幅限制，下面仅对4#梁影响线对比图进行对比。

由图7可知，四种方法的计算结果趋势较为接近，其中梁格法的计算结果最大，刚接梁法和G-M法次之，实测值最小，可以看出梁格法的计算最为保守，实测值之所以最小，是由于理论计算时并未考虑桥面铺装和护栏对荷载的横向分布作用 。总体来说，梁格法、刚接梁法和G-M法的计算结果与实测值相对误差还是较小，与第2小节结论一致。

(2)荷载试验横向分布计算

实桥主梁横向分布系数计算，采用实测主梁挠度值，根据式(1)计算。在四种计算荷载横向分布系数的计算方法下，得出的结果见图8。

从图8可以看出，当加入实测值进行对比后，与图4结果的变化趋势一致，从边梁到中梁其荷载横向分布系数值都是逐渐递减，且刚接梁法和G-M法的计算结果与实测数据相差不大，最大误差仅为4.5%，符合实际工程要求。

4 结论

对于宽幅装配式T梁桥，计算跨中截面荷载横向分布系数时，刚接梁法和G-M法精确度都较高，而修正偏心压力法计算结果明显失真，故计算宽幅装配式T梁桥荷载横向分布系数时，推荐使用刚接梁法或G-M法。