溫度荷載作用下連續(xù)變截面鋼箱梁剪力滯效應(yīng)研究

李慶華

(天津市海河建設(shè)發(fā)展投資有限公司，天津 300380)

箱形截面連續(xù)梁是設(shè)計(jì)中常用的截面形式，在荷載作用下底板的剪應(yīng)力在腹板與翼緣板的交界處最大并隨著與腹板距離的加大而逐漸減小，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)離腹板的翼緣板之縱向位移滯后于靠近腹板的翼緣板之縱向位移，于是縱向正應(yīng)力沿橫向呈非均勻分布，即存在剪力滯后效應(yīng)[1-2].如果翼緣板與腹板交界處的法向應(yīng)力大于初等梁理論的計(jì)算值，稱為正剪力滯，反之，則稱為負(fù)剪力滯，如圖1所示.

圖1 剪力滯效應(yīng)

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)和鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)立交橋的數(shù)量也在不斷增加.箱形截面抗扭剛度大、整體性好的特點(diǎn)，使得鋼箱梁結(jié)構(gòu)在橋梁設(shè)計(jì)及建造過(guò)程中得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已成為主梁形式的首選.

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于剪力滯的研究，分別從解析理論、數(shù)值解法和模型試驗(yàn)方面對(duì)剪力滯效應(yīng)提出了許多新設(shè)想和新理論，并獲得了一些研究成果.但先前的研究主要集中在靜載范圍內(nèi)的豎向集中荷載和分布荷載，對(duì)于溫度荷載作用下的剪力滯效應(yīng)尚未進(jìn)行深入研究，它們之間的不同之處在于導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的原因不僅包括外部變形的約束，而且還包括內(nèi)部各部分之間變形的約束，因此，引起剪力滯效應(yīng)的原因也不盡相同.筆者以三跨連續(xù)變截面鋼箱梁橋?yàn)槔?，采用有限元法?duì)其在溫度荷載作用下的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的研究，系統(tǒng)地闡述了連續(xù)變截面鋼箱梁的剪力滯效應(yīng)[2-3].

1 工程概況

某大橋橋梁全長(zhǎng)324.660 m，橋面寬40 m.其中主橋跨越海河，為三跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式(57.5 m＋85 m＋57.5 m)，橋跨總長(zhǎng) 200 m，主跨 85 m.其中跨根部為6.678 m，中跨合攏段高度為 1.745 m，邊跨合攏段為1.773 m.

主橋由橫向 7個(gè)鋼箱梁組成，橫向?qū)ΨQ布置，每個(gè)鋼箱梁寬度為 3.452 m，鋼箱梁之間間距 1.644 m，如圖 2所示.鋼箱梁頂面與道路縱斷線形一致，底面為曲線線形.兩個(gè)鋼箱梁之間采用上下兩個(gè)橫梁進(jìn)行連接.鋼箱梁內(nèi)部設(shè)有大橫隔板和小橫隔板，其標(biāo)準(zhǔn)間距為2.5 m.鋼箱梁之間橫梁布置位置對(duì)應(yīng)大、小橫隔板.

鋼箱梁頂板設(shè)置U肋，底板設(shè)置T肋，腹板設(shè)置堅(jiān)向、橫向加勁肋.

圖2 春意橋橫斷面

2 模型的簡(jiǎn)化及建立

鋼箱梁是一種典型的薄壁箱形結(jié)構(gòu)，其失穩(wěn)破壞是一種常見(jiàn)的破壞形式，為了防止失穩(wěn)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)剛度降低而引起的破壞，常用的方法是增加板厚、設(shè)置加勁肋；同時(shí)，為了防止活載的偏心加載作用及輪載直接作用下箱梁發(fā)生的畸變和橫向彎曲變形，增加整體剛度，防止過(guò)大局部應(yīng)力，通常設(shè)置橫隔板[4-5].鋼箱頂板的縱肋作為橋面板的一部分共同承受橋面荷載，同時(shí)，縱肋還起到防止頂板屈曲的作用.但是，縱肋對(duì)研究頂板和底板的剪力滯效應(yīng)影響不大，因此，可以通過(guò)增加板厚的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化.在腹板處，增加板厚和設(shè)置加勁肋都是為了提高腹板穩(wěn)定臨界應(yīng)力，因此，腹板加勁肋也可以通過(guò)增加板厚的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化.筆者將鋼箱梁縱向加勁肋的面積平攤到蓋板上而將鋼箱梁簡(jiǎn)化，其簡(jiǎn)化結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)下對(duì)剪力滯的影響不大.多箱計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)要求過(guò)高，為提高其計(jì)算效率，取其中一箱進(jìn)行研究，得出的一般規(guī)律和初步結(jié)論可以運(yùn)用到其它箱室.

采用大型通用有限元程序 ANSYS 進(jìn)行分析計(jì)算，采用shell 63單元模擬建立空間板殼模型，箱梁模型如圖3和圖4所示.

圖3 單箱全橋模型

圖4 單箱全橋剖面

3 荷載工況和剪力滯效應(yīng)分析

為了研究連續(xù)變截面鋼箱梁在溫度荷載下剪力滯效應(yīng)的規(guī)律，計(jì)算時(shí)采用兩種工況：工況 1為溫度荷載單獨(dú)作用；工況2為重力＋溫度荷載共同作用.

日照溫差荷載采用現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTGD60—2004)》中的相關(guān)規(guī)定，橋面板溫度荷載值按照如下公式取得

式中：Te為結(jié)構(gòu)的有效溫度，℃；tT為氣溫，可取當(dāng)?shù)貧v年最高日平均溫度或最低日平均溫度，當(dāng)為0 ℃以下時(shí)取負(fù)值.

我國(guó)現(xiàn)行的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2004)中規(guī)定：計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)因均勻溫度作用引起的外加變形或約束變形時(shí)，應(yīng)從受到約束時(shí)的結(jié)構(gòu)溫度開(kāi)始，考慮最高和最低有效溫度的作用效應(yīng)；計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)由于梯度溫度引起的效應(yīng)時(shí)，采用如圖5所示的溫度沿截面豎向分布梯度曲線[6].

圖5 豎向梯度溫度

3.1 工況1下的應(yīng)力分析

經(jīng)ANSYS計(jì)算，得出如圖6所示結(jié)果.為了考查變截面連續(xù)鋼箱梁橋頂板和底板在溫度荷載作用下的剪力滯效應(yīng)以及溫度荷載下的一般規(guī)律，選擇了具有代表性的中跨跨中截面，得出沿截面橫向的彎曲應(yīng)力變化，如圖7-8所示.

由圖7和圖8分析可知，在溫度荷載單獨(dú)作用下，頂板應(yīng)力值為負(fù)值，底板的應(yīng)力值均為正值，說(shuō)明跨中截面頂板受壓力，底板受拉力.從圖中可以看出，在頂板與腹板的交界處壓應(yīng)力值為5.39 MPa，頂板中部壓應(yīng)力值為9.63 MPa，即頂板腹板交界處的應(yīng)力值小于頂板中部應(yīng)力值，是負(fù)剪力滯效應(yīng).底板腹板交界處的應(yīng)力值為 7.94 MPa，底板中部壓應(yīng)力值為7.60 MPa，即底板腹板交界處的壓應(yīng)力值大于底板中部的應(yīng)力值，是正剪力滯效應(yīng)[7-9].

圖6 溫度荷載單獨(dú)作用下的應(yīng)力

3.2 工況2下的應(yīng)力分析

在重力＋溫度荷載下，得出 ANSYS計(jì)算結(jié)果，如圖 9所示.同樣，選取中跨跨中截面，得出沿截面橫向的彎曲應(yīng)力變化如圖10-11所示.

從圖10和圖11中可以看出：頂板縱向應(yīng)力值均為負(fù)值，即為壓力；底板縱向應(yīng)力值均為正值，即為拉力.由圖 10可知，頂板與腹板交界處的壓應(yīng)力為17.70 MPa，頂板中部的壓應(yīng)力值為 21.84 MPa，即頂板腹板交界處的壓應(yīng)力小于頂板中部的壓應(yīng)力值，是負(fù)剪力滯效應(yīng).由圖11可知，底板與腹板交界處的拉應(yīng)力值為24.04 MPa，底板中部拉應(yīng)力值為23.63 MPa，即底板交界處的拉應(yīng)力值大于底板中部拉應(yīng)力值，是正剪力滯效應(yīng)[7-9].

圖9 重力＋溫度荷載作用下的應(yīng)力

圖10 重力＋溫度荷載作用下頂板的應(yīng)力

圖11 重力＋溫度荷載作用下底板的應(yīng)力

4 結(jié) 論

(1)在溫度荷載單獨(dú)作用下，變截面連續(xù)鋼箱梁存在著較為嚴(yán)重的剪力滯現(xiàn)象，在接近頂板折角處有較大的應(yīng)力集中，呈現(xiàn)出負(fù)剪力滯效應(yīng)；同時(shí)，底板存在正剪力滯效應(yīng).鋼箱梁截面正應(yīng)力主要集中在頂板中部和底板與腹板交界處的一定區(qū)域，其他區(qū)域正應(yīng)力分布較小，因此，箱梁的溫度應(yīng)力在計(jì)算中要予以重視.

(2)溫度荷載和自重作用下，變截面連續(xù)鋼箱梁同樣存在著剪力滯現(xiàn)象，頂板存在負(fù)剪力滯現(xiàn)象，頂板腹板交界處的壓應(yīng)力小于頂板中部的壓應(yīng)力值；底板呈現(xiàn)出正剪力滯現(xiàn)象，底板交界處的拉應(yīng)力值大于底板中部的拉應(yīng)力值.

(3)ANSYS模擬變截面鋼箱梁比較接近實(shí)際情況，但是U肋、T肋、橫隔板的存在對(duì)剪力滯影響的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng).

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