T梁桥钢筋混凝土桥面板受力分析★

贾艳敏 唐 亮 刘金亮 刘云浩

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



T梁桥钢筋混凝土桥面板受力分析★

贾艳敏 唐 亮 刘金亮 刘云浩

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

以内蒙古宝贝河大桥静载试验为依托，使用Midas FEA建立了有限元模型，基于该模型对桥面板厚度及主梁间距两个结构参数进行分析，得到了不同桥面板厚度及主梁间距对桥面板应力与挠度的影响，指出桥面板厚度变化对桥面板底缘混凝土拉应力、铺装层顶缘混凝土拉应力影响最大；主梁间距变化对桥面板应力及挠度影响较为明显。

T梁桥，桥面板厚度，主梁间距，有限元模型

0 引言

桥面板作为T梁桥上部承重结构，直接与车轮荷载接触，在日益增多的交通量及超负荷运营等情况下，现役桥梁中桥面板病害出现的愈加严重。国内一些学者针对钢筋混凝土梁桥做出了诸多研究。赵卫国[1]对河北省钢筋混凝土结构梁桥进行了损伤调查，发现三、四类桥梁中90%病害的位置在梁、板、少筋微弯板及T梁桥桥面板上。王春生等[2-7]对影响钢筋混凝土桥面板耐久性方面做出研究。朱劲松[7]对桥面板的疲劳损伤进行模拟并提出数值分析方法。然而在以往研究中对荷载作用下桥面板本身构造对桥面板的受力影响研究较少，并且在多数设计中，桥面板作为受力构件只作为验算内容，这就使桥面板在运营过程中出现结构不合理，内力分布不均匀等诸多问题，从而加重了桥梁的损伤程度、缩短了桥梁的寿命。

本文针对不同桥面厚度、主梁间距这两个影响桥面板受力的重要构造参数展开分析。

1 有限元模型

1.1 实例介绍

本文以内蒙古宝贝河大桥静载试验为依托，模型桥跨径40 m，横向布置5片梁，桥面铺装采用80 mm现浇混凝土与50 mm沥青混凝土，桥面板纵、横向钢筋直径分别使用10 mm，12 mm，钢筋间距均为100 mm。选择规范550 kN重车横桥向对称布载。具体布置如图1所示，测点布置如图2所示(应变计1，2，3均为桥面板纵桥向应变计)。

1.2 有限元模型验证

选择宝贝河大桥桥面板厚度Y=160 mm，主梁间距X=2.47 m，利用Midas FEA采用实体单元及钢筋单元建模，如图3所示。通过有限元计算值与试验值对比，验证有限元模型的正确性。对比结果如表1所示。

表1 试验应力值与有限元计算应力值对比

由表1可以看出有限元模型计算得出的应力值与现场试验数据符合良好，模型计算能够反映该T梁桥桥面板的真实受力情况。

2 桥面板受力分析

由于本文采用横桥向对称布载，所以选择半桥宽为分析对象。

2.1 桥面铺装对桥面板受力影响

以宝贝河大桥为实例，图4给出考虑混凝土铺装参与受力及未考虑混凝土铺装参与受力对桥面板受力的影响情况。

图4显示桥面板底缘混凝土横向最大拉应力在未考虑桥面铺装参与受力情况下为3.138 MPa，超过C50混凝土抗拉极限标准值，底缘纵向开裂；在考虑桥面铺装参与受力情况下为1.734 MPa，满足设计要求。上述两种情况应力相差44.74%，数值相差较大。说明混凝土铺装参与受力对桥面板受力有较大的影响。

2.2 不同桥面板厚度对桥面板受力影响

以桥面板厚度为变量，主梁间距为定值的有限元模型中，根据规范要求，选择桥面板厚度Y=140 mm～240 mm，以20 mm递增，根据实桥主梁间距X=2.47 m，讨论不同桥面板厚度对桥面板的受力影响，见图5～图8。

通过图5可以看出车轮荷载作用处桥面板局部受力现象明显，应力分布呈椭圆形，在前后轮中间区域出现应力叠加现象。如图6，图7所示随着桥面板厚度增加，桥面板底缘及铺装层顶缘混凝土拉应力呈下降趋势。桥面板底缘横向拉应力由2.0 MPa减小到1.077 MPa，减少了46.18%，铺装层顶缘混凝土最大拉应力由1.44 MPa减小到0.71 MPa，减小了50.36%。桥面厚度为140 mm时，桥面板底缘混凝土拉应力达到2.002 MPa，超过C50混凝土抗拉极限设计标准值，不满足设计要求，所以在主梁间距2.47 m时桥面板厚度应大于140 mm。图8显示桥面板厚度越大，梁体整体挠度及桥面板挠度越小，其中梁体整体挠度由9.01 mm减小到6.49 mm，减少28%。

从上面趋势分析来看：随着桥面板厚度变大，桥面板底缘及铺装层顶缘混凝土拉应力数值变大，但其响应范围大致相同。其次，桥面板厚度变大，桥面板挠度及主梁挠度均变小。

2.3 主梁间距不同对桥面板受力影响

分析主梁间距对桥面板受力影响时，建立以桥面板厚度Y=160 mm为定量，主梁间距X=1.8 m～2.6 m,按20 cm递增的有限元模型，在主梁间距为变量的模型中，不考虑车道数的增减，即保持布载方式不变，仅考虑轮载作用下桥面板的横向受力，分析主梁间距不同对桥面板受力的影响，见图9～图12。

由图9可以看出主梁间距1.8 m时，两轮均作用在板跨范围横向跨中位置，但由于各主梁的不均匀弹性变形导致两车轮位置处应力大小不同，桥面板在靠近外侧车轮处应力响应较大。

如图10，图11所示，随着主梁间距变大，混凝土拉应力呈上升趋势，桥面板底缘最大横向拉应力由1.03 MPa增加到1.89 MPa，增长了83.2%。而当主梁间距为2.6 m时，横向拉应力达到1.89 MPa，超过C50混凝土抗拉极限设计标准值，不满足设计要求，所以在桥面板厚度为160 mm时，主梁间距应小于2.6 m。铺装层顶缘最大横向拉应力由0.91 MPa增加到1.31 MPa，增长了44.9%。如图12所示，主梁间距越大，梁体及桥面板挠度越大，主梁最大位移由4.48 mm增加到8.94 mm，增长了99.6%；桥面板位移由0.036 mm增加到0.147 mm，增长308%。

从上面的影响分析来看，主梁间距变化对桥面板底缘拉应力及位移影响最大。

3 结语

本文通过有限元模拟分析，对不同桥面板厚度、不同主梁间距情况下桥面板进行分析，得到以下结论：

1)车轮荷载作用下桥面板的局部受力现象明显，应力分布呈椭圆形，并且考虑桥面铺装参与受力能够更真实的反映桥面板的受力响应。

2)在本文讨论的范围内，由改变桥面板厚度和主梁间距带来的自重变化对桥面板受力影响不大。

3)随着桥面板变厚，桥面板底缘及铺装层顶缘混凝土拉应力都有减小的趋势，但荷载影响范围基本相同。从数值分析中可以看出，桥面板厚度变化对梁肋位置铺装层顶缘混凝土拉应力和桥面板底缘混凝土拉应力影响最大。主梁间距的变化影响了桥梁整体的刚度，导致主梁位移随着主梁间距变大而线性增加。其次，随着主梁间距增大，板跨增大，横桥向正弯矩数值增大，桥面板底缘混凝土应力数值增大。

[1] 赵卫国.公路钢筋混凝土梁桥的病害分析与受损后承载能力计算[D].西安：长安大学,2007.

[2] 王春生,周 江,缪文辉.混凝土桥面板耐久性计算与影响参数分析[J].桥梁建设,2012(6):74-80.

[3] 张喜德.钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究[D].南宁：广西大学,2004.

[4] 王德山,桂水荣,江金宜.混凝土桥面板裂缝成因分析及处理措施研究[J].中外公路,2012(1):179-181.

[5] 张洪雷.盐冻环境下钢筋混凝土桥面板耐久性寿命研究[D].哈尔滨：东北林业大学,2014.

[6] 朱剑泉.钢筋混凝土结构耐久性设计与评估探讨[D].武汉：华中科技大学,2005.

[7] 朱劲松,闫广鹏.钢筋混凝土桥面板疲劳数值分析方法[J].中国公路学报,2012(1):59-66.

Force analysis for reinforced concrete bridge deck of T beam bridge★

Jia Yanmin Tang Liang Liu Jinliang Liu Yunhao

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on the static load test of the Baobei River Bridge in Inner Mongolia, the finite element model was established by Midas FEA. Based on the model, the force response of bridge deck was analyzed with different bridge deck thickness and different main beam spacing. The results showed that the increase of the concrete tensile stress at the bottom of the bridge deck and concrete tensile stress on the top edge of pavement were the most obvious with the increase of the bridge deck thickness. Moreover, the increase of stress and deflection were all obvious with the increase of the main beam spacing.

T beam bridge, bridge deck thickness, main beam spacing, finite element model

1009-6825(2016)32-0180-03

2016-09-02★：内蒙古交通厅科技项目(项目编号：NJ-2012-12)

贾艳敏(1962- )，女，博士，博士生导师，教授； 唐 亮(1989- )，男，在读硕士； 刘金亮(1992- )，男，在读硕士； 刘云浩(1993- )，男，在读硕士

U441

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