T 梁连续刚构桥梁墩梁固结受力性能精细化分析

陈金盛

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 引言

标准化和施工便利的预制拼装结构具有缩短工期、降低工程造价的优点， 山区公路桥梁的上部结构往往优先采用装配式T 梁[1]。

由于山区地面起伏大， 一座桥的桥墩高度往往差别悬殊，高墩通常普遍存在。在桥梁设计中通常将一联中较高的桥墩与上部结构采用墩梁固结方案， 并利用高墩自身的柔性适应上部结构的变形。 墩梁固结可以使高墩由一端固结、另一端自由的受力构件，变为一端固结、另一端弹性固结的构件[2]，从而提高了结构的稳定性。

墩梁固结处是全桥的关键受力部位之一，此处结构构造和应力分布都比较复杂， 设计时如果处理不当，在施工过程或运营中极容易造成混凝土开裂，因此全面真实掌握桥梁墩梁固结处的局部应力状态具有十分重要的意义。

应用三维实体有限元单元对结构进行精细化分析可以大大提高桥梁仿真分析计算结果的可靠性， 尤其对于一些受力复杂的局部部位， 可减小简化计算中各种常规假设带来的误差[3]。 已有研究者应用理论分析、数值模拟及光弹试验等方法对桥梁墩梁固结部位做了一些针对性的分析[4-6]。

从现有研究来看， 对墩梁固结部位的受力复杂性取得较一致的意见， 但均尚未充分考虑混凝土收缩徐变对固结部位受力的长期影响， 也没有详尽研究不同荷载组合下墩梁固结部位的受力性能， 对于易开裂部位尚未给予明确结论。

本文使用精细化实体MIDAS 整体混合有限元模型对墩梁固结部位进行了局部受力性能的精细分析， 避免了以往研究采用局部有限元模型只能通过施加边界面上荷载的方式进行研究的局限性， 可直接模拟局部部位的施工过程，并直接考虑各种荷载组合。研究重点关注了盖梁顶部现浇梁段与盖梁底部墩身可能出现的应力集中问题和裂缝易形成部位， 对混凝土收缩徐变的长期效应进行了探讨，研究成果对现有研究形成了较好的补充，可为相关设计提供参考借鉴。

2 有限元模型构造

2.1 模型概况

以某山区公路桥其中一联(5×30)m 为工程背景，建立墩梁固结部位精细化MIDAS 整体混合有限元分析模型。该联桥梁的标准横断面布置如图1 所示， 该联桥梁的下部结构设计参数如表1 所示。 其中桥墩均采用双柱墩，1#、4# 和5# 桥墩采用等截面圆形墩，2# 和3# 桥墩由于墩高较高，采用变截面正方形矩形墩。上部结构采用先简支后连续的施工方案，2# 桥墩采用墩梁固结方案， 其它桥墩则不固结。 上部结构砼采用C50。

研究采用有限元软件Midas/Civil 建立包括墩梁固结部位局部精细化实体单元的整体混合有限元模型， 如图2 所示。 模型中除了2# 墩梁固结部位之外，采用梁单元模拟，2# 墩位置处的墩梁固结部位则采用实体单元进行精细化模拟。 全桥整体模型包括节点8126 个，单元总计6240 个，其中梁单元808 个，实体单元5432 个。 与以往研究不同的是， 本研究所采取的整体混合有限元模型能详尽按照实际情况模拟墩梁固结部位的施工过程， 可对各种荷载作用及组合下局部部位的受力进行直接分析。

图1 桥梁标准横断面

表1 桥梁下部结构设计参数

图2 固结部位的精细化MIDAS 整体混合有限元模型

2.2 计算假定和荷载处理

计算分析时，假设结构处于弹性状态。荷载按照我国规范《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2015)在模型中建立荷载模型，活荷载主要包括系统温度、温度梯度、汽车制动力、公路I 级活荷载，恒荷载按照实际情况分别模拟了自重、收缩徐变、预应力等。

2.3 边界条件

有限元模型边界条件设置中，通过计算出等效桩长，在模拟中按等效桩长模拟，并将桩底固结。非墩梁固结位置的主梁与盖梁之间通过弹性连接模拟支座。 墩梁固结位置的局部实体单元模型与周围的梁单元模型界面采用刚性连接模拟。

2.4 荷载工况

通过按照实际施工过程进行模拟， 有限元分析主要考虑以下3 种工况：(1)成桥初始；(2)成桥5 年后；(3)正常使用极限状态荷载规范规定的荷载组合。

3 计算结果

3.1 2# 墩盖梁顶部现浇梁段根部竖向正应力

2# 墩盖梁顶部现浇梁段根部的成桥初始状态、成桥5 年、 正常使用极限状态荷载组合最小与最大的竖向正应力分别如图3 所示。 图3 中“1”、“2”点靠中跨侧，“3”、“4”点靠边跨侧。图中正值表示压应力，负值表示拉应力。

3.2 2# 墩盖梁底部墩身竖向正应力

2# 墩盖梁底部墩身在成桥初始状态、 成桥5 年、正常使用极限状态荷载组合最小及最大时正应力如图4 所示。 图4 中“1”、“2”点靠中跨侧，“3”、“4”点靠边跨侧，与图3 相同。

图3 2# 墩盖梁顶部现浇梁段竖向正应力图

图4 2# 墩盖梁底部墩身竖向正应力图

4 结果分析

通过针对2# 墩部位的局部精细分析，主要有以下发现：

(1)成桥初期，在T 梁与墩顶现浇梁段交接的位置，恒载产生的竖向应力会达到一个局部的极值。 因为本桥上部结构由6 根T 梁组成，所以图中极值也有6 个，如图3(a)所示。其中，最大的压应力发生在矩形墩身上方对应的T 梁位置，最大的拉应力发生在现浇段横桥向中间位置。此时， 盖梁顶部现浇段根部的竖向应力在朝向边跨的一侧与朝向中跨的一侧应力相差不大。

(2)成桥5 年，在混凝土收缩徐变作用下，现浇段根部竖向应力在成桥初期很明显的6 个局部极值会趋向于消失，取而代之的是沿着横桥向趋向于均匀化的应力分布，即此时局部极值逐渐变得不明显，如图3(b)所示。 同时，朝向边跨的一侧应力高于朝向中跨的一侧应力。

(3)在正常使用极限状态荷载组合下，最大拉应力与最大压应力发生在边T 梁和墩顶现浇段交接的位置， 如图3(c)和图3(d)所示。盖梁顶部的现浇段根部最大组合主拉应力2.58 MPa，接近抗拉强度2.65 MPa。 因此，在最不利荷载组合下， 墩顶现浇段根部在与边T 梁交接的位置最可能出现水平向的微裂缝，如图5 所示。

图5 墩梁固结部位裂缝高风险区域

(4)从图4 可以看到，靠近盖梁底部的桥墩横截面的变形不符合平截面假定。 在桥墩的4 个角点出现了应力集中。 正常使用极限状态荷载组合下最大拉应力为2.26 MPa(接近抗拉强度2.40 MPa)，发生在角点“2”，为墩身最可能出现裂缝的位置，如图5 所示。

5 结论与设计建议

本文对山区预制装配式T 型梁桥的墩梁固结部位进行了精细化分析， 同时研究了盖梁顶部现浇梁段与盖梁底部墩身可能出现的应力集中和开裂趋势问题， 并对混凝土收缩徐变的长期影响进行了分析。 根据精细化分析的结果，本文的主要结论和设计建议如下：

(1)在正常使用极限状态最不利荷载组合下，盖梁顶部的现浇段根部的外缘T 梁存有较高的产生水平向裂缝的风险。因此在设计时，建议在该处适当增加布置直径小和间距小的加强钢筋，以防止裂缝发生。

(2)在正常使用极限状态最不利荷载组合下，靠近盖梁底部的墩身横截面角点可能出现拉应力， 存有较高产生裂缝的风险。在设计时，建议在二者交接处的墩身角点位置布置加强钢筋，以防止裂缝发生。

(3)混凝土徐变的长期效应将使得墩梁固结部位的应力集中问题减缓。