某 T构桥牛腿横向有限元分析

何玲玲

天津市市政工程设计研究院 天津 300000

摘要：本文以某T构桥工程为例，采用空间有限元仿真分析软件Midas FEA建立三维空间模型，并在各种作用下对该T构桥牛腿横向进行受力分析，分析牛腿在各种作用下的应力分布规律，为相似桥梁设计提供参考依据。

关键词：T构桥、牛腿、有限元、横向受力

工程概况

某桥梁采用变截面T构结构，跨径布置为3*40m+90m+3*40m，桥梁全宽36m，截面采用单向多室箱梁。主桥采用T构加挂孔结构形式，90m主跨中间布置20m跨径挂孔，挂孔采用钢混凝土叠合梁结构，通过牛腿置于T构上。本桥边跨采用支架法施工，中跨采用挂篮悬臂浇筑方法进行施工，悬臂浇筑完成后，拆除支架，浇筑第一边跨的合拢段。合拢后，吊装挂孔，浇筑挂孔桥面板。

图1.1 某T构桥工程实例

T构梁体的腹板、顶板和底板内布置纵向体内预应力束，用来承担施工过程和使用过程中的荷载。T构下牛腿长度为0.86m，伸出于横梁，牛腿采用三边支撑的槽式牛腿形式，牛腿支座处高度为0.5m。主桥挂孔采用钢－混凝土叠合梁结构，通过牛腿至于T构上。

模型建立

采用空间有限元仿真分析软件Midas FEA建立某T构桥三维空间模型。其中，主梁C50混凝土采用三维实体单元，预应力钢筋采用实体单元中的一维钢筋单元；挂孔叠合梁C40混凝土桥面板采用三维实体单元，Q345钢采用二维板单元。模型建立混凝土实体单元共506241个，板单元共9283个，钢筋单元共117339个，节点共273594个。图2.1所示为某T构桥空间有限元模型。

图2.1 某T构桥空间有限元模型

加载工况

计算悬臂端牛腿处的竖向挠度及横向应力情况。恒载作用下产生的挠度和应力是固定的。活载计算需考虑汽车荷载在主桥悬臂段和挂孔处的横向加载位置，分别以下两种工况进行加载计算。其中，均布荷载q按面压力加载，纵向布置位置为挂孔以及与挂孔相邻的T构悬臂段处；集中力F均匀的布置在挂孔牛腿处。

（1）横向六车道中载，考虑车道横向折减系数0.55。

其中，q=10.5×6×0.55/22=1.575 KN/m²；

F=∑F_i=360×6×0.55=1188 KN。

（2）横向三车道偏载，考虑车道横向折减系数0.78。

其中，q=10.5×3×0.78/8.5=2.891 KN/m²；

F=∑F_i=360×3×0.78=842.4 KN。

图3.1 横向六车道中载计算图 图3.2横向三车道偏载计算图

牛腿处横梁横向受力分析

恒载作用下横向受力分析

图4.1恒载作用下牛腿处的竖向挠度

由图4.1可以看到，在恒载作用下，牛腿处桥面中心位置处上挠约0.1cm，两侧挠度约0.4cm。

（a）集中横向拉应力（翼缘板处） （b）大部横向应力（横梁处）

图4.2恒载作用下牛腿处的横向应力

由图4.2（a）可以看到，在恒载作用下，牛腿处翼缘板最外侧出现局部集中横向拉应力为2.71MPa；由图4.2（b）可以看到，在恒载作用下，大部分横梁顶面横向拉应力均在1.28MPa以内。

活载作用下横向受力分析

图4.3六车道中载牛腿处竖向挠度 图4.4三车道偏载牛腿处竖向挠度

由图4.3~图4.4可以看到，仅在横向六车道中载作用下，牛腿处桥面中心位置处挠度约1.2cm，两侧挠度约0.9cm；仅在横向三车道偏载作用下，偏载侧挠度最大为1.6cm，未偏载侧挠度为0.5cm。

（a）集中横向拉应力（翼缘板处） （b）大部横向应力（横梁处）

图4.5六车道中载作用下牛腿处的横向应力

（a）集中横向拉应力（翼缘板处） （b）大部横向应力（横梁处）

图4.6横向三车道偏载作用下牛腿处的横向应力

由图4.5~图4.6可以看到，仅在横向六车道中载作用下，牛腿处翼缘板最外侧出现局部集中横向拉应力为1.56MPa，大部分横梁底面横向拉应力均在0.63MPa以内；仅在横向三车道偏载作用下，牛腿处翼缘板最外侧出现局部集中横向拉应力为1.50MPa，大部分横梁底面横向拉应力均在0.82MPa以内。

恒载与活载作用下横向受力分析

图4.7恒载与六车道中载作用下竖向挠度 图4.8恒载与三车道偏载作用下竖向挠度

由图4.7~图4.8可以看到，在恒载与横向六车道中载共同作用下，牛腿处桥面中心位置处挠度约1.1cm，两侧挠度约1.4cm；在恒载与横向三车道偏载共同作用下，偏载侧挠度最大为2.0cm，未偏载侧挠度为0.9cm。

（a）集中横向拉应力（翼缘板处） （b）大部横向应力（横梁处）

图4.9恒载与横向六车道中载作用下牛腿处的横向应力

（a）集中横向拉应力（翼缘板处） （b）大部横向应力（横梁处）

图4.10恒载与横向三车道偏载作用下牛腿处的横向应力

由图4.9~图4.10可以看到，在恒载与横向六车道中载共同作用下，牛腿处翼缘板最外侧出现局部集中横向拉应力为4.27MPa，大部分横梁顶面横向拉应力均在0.99MPa以内；在恒载与横向三车道偏载共同作用下，牛腿处翼缘板最外侧出现局部集中横向拉应力为3.54MPa，大部分横梁顶面横向拉应力均在1.51MPa以内。

结语

由以上计算结果可得，在恒载和活载的共同作用下， T构桥牛腿处翼缘板的挠度要大于中间位置挠度；牛腿处翼缘板最外侧出现局部较大的集中横向拉应力。由于牛腿角隅处应力集中现象，所以该区域应当特别配筋。通过建立T构桥三维空间模型验算牛腿处的挠度和应力，为牛腿应力集中区域加固处理提供理论依据。

参考文献：

[1] 郑楚桓，T型刚构桥梁的常见病害与加固方法[J]. 广东建材，2010年06期

[2]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[Z]. 中华人民共和国交通部发布，JTG 3362-2018

[3] 朱 波，T型刚构桥预应力牛腿计算分析  [J]. 山东交通科技，2019年03期