横向整固T梁桥复合桁架技术的分析研究

朱广河，全 晋，张珂欣

（1.内蒙古自治区交通建设工程质量监测鉴定站，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古高等等级公路建设开发有限公司第二公路建设管理分公司）

1 引言

T 梁桥复合桁架横向整固技术系为该型桥梁整体整固不可缺少的一个技术方面，这里提出4种横向整固桁架结构，并通过有限元ABAQUS模拟计算系统，在重点考虑中载及偏载两种载荷工况条件下，通过基于案例工程的实用参数和技术状态的计算和功效对比，得出相较于三角型桁架、K型桁架结构加固功效更具优势的技术结论，可为同类工程应用提供技术参考。

2 案例和整固方案

案例系为某临洪高架T梁桥，结合工程的基本技术需求，本着适度简化及改造的精神开展设计建造。T梁总长60m，梁高1.68m，全桥共计5根横向T梁，各T梁翼缘宽度均为1.6m，厚度0.18m。T 梁间湿对接缝宽度0.8m。全桥设计为3跨，跨度均为20m。均设置横隔板于各跨端。案例T 梁桥横断面结构规格示意见图1 所示。

图1 案例T梁桥横断面结构示意（m）

复合桁架型式，钢管内充填混凝土，可以同时发挥混凝土抗压及钢材抗拉的特性。桁架装配完以后，可借助预制孔洞，向钢管内部充填混凝土，操作简便快捷。桁架系统横向装配于T梁间，利于协同各T梁间的应力状态，强化横向结构联系，增强桥梁的整体性。预制程度高，重量相对轻，工期即时，交通影响相对较小，是一种比较理想的桥梁加固类型。

桥梁工程应用中，复合桁架结构样式大体上可以分为4种：分离底梁K型复合、长通底梁K型复合、分离底梁三角型児复合桁架、长通底梁三角型复合桁架，其强化加固样式见图2～图5所示。各结构方式按配置又可区分为：跨中1排桁架、跨中3分点2排桁架和跨中4分点3排桁架三种整固样式，本研究对各结构形式的整固功效开展探究，分析不同要素对整固功效的影响。

为了更有效防止桁架在经过整固后，T梁翼缘可能存在的应力集中状态，可以在T梁跟桁架触接点加设矩形垫板，其规格可设计为纵向长度1m，高度值0.1m，取内砼外钢样式，内充混凝土，外包8mm厚钢板。桥体跟顶垫板采取锚栓接连状态，复合桁架与底面经过缝焊缝开展接连，图2～图5桥梁断面示意图中可发现其断面样式及装配部位。

图2 长通底梁K型复合桁架横断面

图3 分离底梁K型复合桁架横断面

图4 长通底梁三角型复合桁架横断面

图5 分离底梁三角型复合桁架横断面

3 重点参数和计算模型

在有限元ABAQUS 模拟系统的分析计算中，钢混结构一般会选用三种模拟方式开展处理，分别为分离型、组合型及整体型。本研究探讨复合桁架的强化加固对桥梁形变功效的影响，不涉及混凝土与钢筋间的互相作用，T梁桥模型选用整体式模型。整体型模型考虑关联性能参数和钢筋的配筋率，经过换算，在整个结构中使钢筋弥散均匀，融合到混凝土中，形成相对均匀状态，通过严格计算，进而获得全新本构关系，借以表达和揭示材料的特性。

3.1 材料和荷载计算参数

计算材料参数和车辆载荷技术参数具体见表1 和表2。

公路Ⅰ级和Ⅱ级车辆载荷选用等同的车辆载荷标准值，其载荷的平面、立面规格如图6、图7 所示。选用中心加荷和偏心加荷两种载荷工况，两种加荷工况下车辆载荷的横向配置如图8、图9所示。

表1 材料参数

表2 车辆参数

图6 立面配置

图7 平面规格（mm）

图8 横向中载配置（mm）

本研究重点探究在不同整固形式下，中间跨桥梁的垂向移位变化情况，把车辆配置于中跨，左端桥跨与其车轮中线相距4m，其车辆载荷纵向具体配置见图10所示。

图10 车辆载荷中跨纵向配置（mm）

3.2 网络模型和边界条件

借助有限元ABAQUS 三维模拟系统开展数理建模，桥面板高度方向和横桥向方向分布为模型Y轴方向和X 轴方向，纵桥向方向为Z 方向。选用线性C3D6 楔形单元及线性C3D8R六面体单元开展网络划分。有限元计算模型如图11所示。

图11 有限元模型

模边界条件为模型T 梁底部Z=0m、Z=40m 和Z=60m区域设置两向（X、Y）约束，模型T梁底部Z=20m区域设置三向（X、Y、Z）约束，考虑支撑座实际规格，在沿横向T梁底宽，沿纵向0.4m的区域内设置各处约束。

4 基于不同方案的整固功效影响分析

为评价不同结构样式复合桁架的整固功效，下文对配置方式等同但是结构样式不同的复合桁架整固功效开展比对，分析桁架结构样式对整固功效的影响，比选最优整固形式。为方便论述，设定长通底梁三角型复合桁架为方案Ⅰ，设定分离底梁三角型复合桁架为方案Ⅱ，设定长通底梁K型复合桁架为方案Ⅲ，设定分离底梁K型复合桁架为方案Ⅳ。

整固复合桁架的目的，重点在于提高各T梁间的横向接连，降低挠度峰值，令各梁体实现均衡受力。中载工况下，中梁相关区域跨中产生挠度峰值，故中载工况下重点经过分析A3检测点的挠度削弱率和降低量，来比较各种整固形式的优劣；而偏载影响下，在载荷中心的第二片T 梁底部产生挠度峰值，故比选偏载时的方案，重点分析A2检测点的挠度削弱率和降低量。

4.1 中载工况下的整固功效对比分析

从前述图、表中发现，4 种结构样式在中载工况下的复合桁架均能够使桥梁的受力状态获得更为显著的改善，相应的跨中挠度曲线变得更为平缓。在桁架的整固部位，长通底梁桁架的整固功效优于分离底梁型桁架的整固功效，如在一排桁架整固时，长通底梁K型复合桁架整固下，跨中梁底挠度削弱率约为16%，而该处分离底梁K 型复合桁架的挠度削弱率约为12%。并且相对于三角型复合桁架的整固功效，K型复合桁架的整固功效更优，如两排桁架整固时，两种K型复合桁架整固下，处于跨中位置的中梁底其挠度削弱率为16%～17%，而两种三角型复合桁架整固下，跨中的中梁梁底挠度削弱率仅约为14%。故长通底梁K 型复合桁架的整固功效最优。

表3 跨中各梁底一排桁架整固时测点挠度分布（mm）

图12 一排桁架整固

表4 跨中各梁底两排桁架整固时测点挠度分布（mm）

图13 两排桁架整固

表5 跨中各梁底三排桁架整固时测点挠度分布（mm）

图14 三排桁架整固

4.2 偏载工况下的整固功效对比分析

前述图表数据和曲线状态显示，偏载工况下，种桁架单梁受力状态均获得改善，对应挠度曲线变得更加平缓。与中载相似，长通底梁K 型桁架的整固功效最优，并且4种整固方案的整固功效差异比较有限。

表6 跨中各梁底一排桁架整固时各测点挠度分布（mm）

图15 一排桁架整固

表7 跨中各梁底两排桁架整固时测点挠度分布（mm）

图16 两排桁架整固

表8 跨中各梁底三排桁架整固时测点挠度分布（mm）

长通底梁型桁架的整固功效相对优于分离底梁型桁架的整固功效，如在两排桁架加荷时，在跨中A2 区域，选用长通底梁K 型复合桁架时，挠度削弱率约为21.5%，而选用分离底梁K 型复合桁架时，其等同区域挠度削弱率约为18%。

图17 三排桁架整固

相对于三角型复合桁架的整固功效，K型复合桁架的整固功效更优。如在一排桁架整固时，在跨中A2区域，选用长通底梁K 型复合桁架的挠度削弱率约为19%，而选用长通底梁三角型复合桁架开展整固时，在跨中A2 区域挠度削弱率仅约为17%。又如在跨中A2区域，选用分离底梁K 型复合桁架的挠度削弱率约17%，选用在跨中A2区域，分离底梁三角型复合桁架的挠度削弱率约在14%。

5 结语

本研究设计了4种不同结构样式的复合桁架，利用有限元ABAQUS 模拟系统建立简支三跨T 梁桥数理模拟分析模型，计算分析4种横向整固桁架结构对于桥梁形变功效的影响，可以获得的结论是：长通底梁型复合桁架因为其有更好的整体性，可增进载荷的横向传导，提高桥梁横向刚度，其整固功效优于分离底梁型复合桁架。数字模拟结果能够发现，相较于三角型复合桁架，K 型桁架的整固功效更胜一筹，如选用两排桁架整固，在中载工况下，跨中部位的中梁底挠度会发生16%～17%的削弱率，而三角型复合桁架的该参数仅有14%的削弱率。故整固功效最为显著的结构样式当选择长通底梁K型复合桁架，其横向整固的功效相对更好。