装配式T梁桥活载空间效应的精细化分析

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近年来,装配式T梁桥在我们的工程建设活动中扮演的角色越来越重要,但一方面其桥宽不断增大,另一方面许多在役T梁桥的翼缘、腹板、横隔板出现了不同程度的开裂,鉴于此,急需从提高和改善宽幅装配式梁桥长期服役性能的角度对其空间受力行为开展深入研究。本文以交通部颁发的2008版《公路桥涵通用图》(T梁系列)为背景,采用大型通用有限元软件ANSYS数值模拟和梁桥实用空间理论相结合的方法,研究了汽车荷载作用下桥跨、桥宽对装配式简支T梁桥的活载效应空间分布特征、横隔板的活载内力以及活载应力分布特征的影响,并推导了考虑盖梁柔性变形条件下T梁桥的空间分布算法,还探讨了墩梁连接方式对简支变连续T梁桥负弯矩区活载拉应力的影响,取得的主要研究成果如下:(1)为了研究简支T梁桥汽车荷载效应的空间分布特征,通过采用数值模拟和传统理论计算综合分析T梁桥的竖/横向荷载响应,讨论了桥跨、桥宽对其活载效应空间分布的的影响,还探讨了传统理论方法的适用性和精确度,并从抗裂的角度提出了建议。研究结果表明:汽车荷载作用下,T梁桥横向荷载效应会受桥梁跨径、宽度、布载形式等多种因素影响;T梁桥的边梁设计活载效应能够包络T梁的活载横向挠曲效应,但其侧向弯曲会显著增加中性轴附近的拉应力,且与跨径近似成线性关系;T梁腹板外侧的分布钢筋最好能按照腹板承受的横向弯矩设计成受力钢筋,并减小钢筋间距以更好地防止腹板的竖向开裂。(2)为了探讨大跨/长悬臂盖梁柔性变形条件下简支T梁桥的荷载横向分布,以整体式盖梁的城市宽幅桥为依托,基于刚性横梁法推导出了其荷载横向分布算法,并将其在三种不同宽跨比下的计算结果与传统理论方法以及实体有限元法的计算结果进行对比分析,分析得出考虑盖梁变形的刚性横梁法计算结果与实体模型更为接近,且偏安全。(3)为了研究汽车荷载作用下简支T梁桥横隔板的活载效应分布,采用ANSYS建立多组不同桥跨、桥宽、曲率半径T梁桥的实体模型,对其跨中和四分点横隔板进行了深入分析,分析结果表明:汽车荷载作用下,跨中横隔板的竖向弯矩均要比四分点横隔板大(均在40%以上),四分点横隔板与跨中横隔板之间的竖向弯矩差值百分比随着跨径的增大而线性减小,而桥宽、曲率半径对其影响则不显著;对于T梁桥的跨中横隔板活载应力,对称加载时较偏心加载时会产生更大的拉应力,其中5片T梁桥宽时中载较偏载作用下的最大拉应力增大了85.7%,表明横隔板设计时应以对称荷载作用下的最不利荷载响应为参考;T梁桥跨中横隔板的应力大小以及应力位置(最大应力与主梁间的距离)受跨径和桥宽的影响较大,其中拉应力随着跨径的增大而线性减小,但其应力位置会随跨径的增大而近似线性增大;T梁桥是否曲直以及曲率半径对跨中横隔板的活载拉应力影响很小。(4)为了探讨简支变连续T梁桥的汽车荷载效应,采用ANSYS模拟不同墩梁连接方式简支变连续T梁桥的施工过程并建立实体模型,考虑不同荷载工况,从负弯矩区拉应力和荷载横向分布两个维度进行分析。分析结果如下:在考虑自重下,双跨施加汽车荷载较单跨施加汽车荷载使T梁桥负弯矩区产生更大的拉应力,当中墩设置为双支座时T梁桥负弯矩区拉应力最小,而双支座采用刚性还是柔性对T梁桥负弯矩区的拉应力影响不显著;中墩设置为双支座不仅对负弯矩最大拉应力有削峰作用,还会转移最大拉应力的位置;对于两跨先简支后连续T梁桥,对于偏心加载,中墩设置为单支座对边梁受力更加有利。
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