某橋梁段剪力滯效應(yīng)研究與分析

張巧慧 等

摘要： 本文以赤山大橋工程為背景，研究在施工階段重力及預(yù)應(yīng)力作用下混凝土結(jié)構(gòu)的剪力滯效應(yīng)，通過有限元模擬懸臂施工全過程的方法，隨著后澆注節(jié)段數(shù)量增加剪力滯系數(shù)呈現(xiàn)遞減規(guī)律。表明箱梁節(jié)段剪力滯效應(yīng)一般都是在其剛澆注時(shí)最大，未施加橫向預(yù)應(yīng)力以及預(yù)應(yīng)力鋼束起彎角度越小，則說明寬高比，寬跨比越大，剪力滯效應(yīng)也很明顯。并且通過對該橋施工監(jiān)控，把計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行了對比，而腹板厚度和M錨固位置的變化則對該效應(yīng)影響不甚明顯，對有限元結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證了計(jì)算分析的合理性。對實(shí)踐工作具有一定的指導(dǎo)意義，希望能更多地運(yùn)用于實(shí)踐當(dāng)中。

Abstract： In this paper， making Chishan bridge project as the background， through finite element simulation of the whole process of cantilever construction method， research in the construction stage of gravity and prestressed concrete structure subjected to shear lag effect， showed segmental box girder shear lag effect is generally maximum in the just pouring， after pouring section increases the amount of shear lag coefficient shows law of diminishing. Aspect ratio， width to span ratio is larger， without lateral prestress of prestressed steel beam and the bending angle is small， the shear lag effect is obvious. And web thickness and M anchoring position changes the effect is not so obvious. And through to the bridge construction monitoring， comparing the calculated values and the measured values， and the result of calculation is compared correct.

關(guān)鍵詞： 箱形梁；有限元；剪力滯效應(yīng)

Key words： box grider；finite element；shear lag effect

中圖分類號：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）03-0090-04

1 工程概況

本橋位于樟木頭互通立交區(qū)域內(nèi)，赤山村大橋是惠東至常平高速公路東莞段的一座控制性大橋，橋址范圍內(nèi)屬低山丘嶺地貌，地形起伏較小，跨越省道S357，與被交道路斜交，除兩端橋臺(tái)位置地形較高以外，中間部位平坦開闊，寬約220m，分布成片廠區(qū)。本橋段最適合做剪力滯效應(yīng)的研究與分析，能對實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的簡化 建模時(shí)只考慮各施工階段的截面形狀，而忽略普通鋼筋，預(yù)埋件等對截面的影響，計(jì)入預(yù)應(yīng)力孔道對截面的影響；

考慮到懸臂施工階段整個(gè)結(jié)構(gòu)體系為靜定結(jié)構(gòu)，假設(shè)墩底支撐在剛性平面上，忽略樁土相互影響。

2.2 單元的選取及建模方法 因?yàn)槌嗌酱宕髽蛑鳂虿捎玫氖窍湫瘟旱慕Y(jié)構(gòu)形式，而箱梁受彎扭組合，剪力滯后以及畸變等因素影響，受力情況復(fù)雜，為能較準(zhǔn)確的反映箱梁的實(shí)際應(yīng)力分布情況，采用ANSYS軟件進(jìn)行分析，混凝土選用SOLID 95單元進(jìn)行有限元計(jì)算。預(yù)應(yīng)力鋼束采用三維結(jié)構(gòu)線單元LINK8，模擬預(yù)應(yīng)力采用初應(yīng)變法。計(jì)算模型即把整個(gè)研究對象均離散為有限單元網(wǎng)格，其應(yīng)力計(jì)算足可滿足工程要求。0#塊模型及網(wǎng)格劃分圖如圖1、圖2所示。

2.3 邊界條件及計(jì)算參數(shù) 在進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用全結(jié)構(gòu)分析方法，按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸建摸，并做了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

在確定有限元模型的邊界條件時(shí)，將墩底及墩梁接觸截面上所有結(jié)點(diǎn)以全部固結(jié)——即約束截面上所有結(jié)點(diǎn)的全部自由度，懸臂施工端面完全自由。

梁體混凝土標(biāo)號為C50號，彈性模量為35.5GPa，泊松比為0.167，混凝土比重γ=26000KN/m3；縱向預(yù)應(yīng)力筋采用標(biāo)準(zhǔn)型強(qiáng)度級別fpk=1860MPa，公稱直徑為19.24mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，彈性模量為195GPa，泊松比取為0.2，張拉錨固下控制應(yīng)力σcon=0.75fpk。

3 計(jì)算分析

3.1 寬跨比對剪力滯效應(yīng)的影響 模型設(shè)三個(gè)控制截面，其中模型的寬跨比分別為8.2、3、1.14。將三個(gè)模型在自重和預(yù)應(yīng)力作用下控制截面的應(yīng)力描繪成曲線如圖。C—C截面距固端18.75m、B—B截面距固端7m、A—A截面距固端2.6m。

應(yīng)力變化梯度逐漸趨于平緩，剪力滯影響明顯變小，通過以上圖形表明，模型隨跨徑的增大，說明剪力滯隨寬跨比的增大而增大。通過上圖，也不難得出下列的結(jié)論。

3.2 不同翼緣板寬度對建立滯效應(yīng)的影響 模型一翼板寬6m，模型二翼板寬5.5m，模型三翼板寬4.5m，模型四翼板寬4m。

把各控制截面在翼板寬度改變時(shí)的應(yīng)力繪制成曲線，以下是A-A截面頂板應(yīng)力對比圖。取A—A截面為研究控制截面，距離固端分別為1.6m。（圖5-圖10）

通過圖形比較表明：隨著翼緣懸臂板寬度的增加，懸臂板的彎曲應(yīng)力曲線下降更為顯著，說明對帶懸臂翼緣板箱梁的剪力滯效應(yīng)分析應(yīng)考慮大懸臂的影響。

箱梁翼緣懸臂板寬度越大，剪力滯效應(yīng)越顯著，彎曲正應(yīng)力峰值的差值也越來越大。當(dāng)翼緣板加大時(shí)，翼板相對于肋板處的剛度減小，剪切變形能力加大，剪力滯效應(yīng)也變得明顯。因此，在實(shí)際工程中，對翼緣板較寬的橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮適當(dāng)增加肋板間距，以減小剪力滯對翼緣板的影響。

3.3 不同腹板厚度對剪力滯效應(yīng)的影響 通過對四個(gè)模型的比較來分析腹板對剪力滯的影響。模型一腹板厚60cm，模型二腹板厚70cm，模型三腹板厚80cm，模型四腹板厚100cm。取A—A截面為研究控制截面，距離固端為2.6m。

把該控制截面在腹板厚度改變時(shí)的應(yīng)力繪制成曲線，如圖11。

通過以上圖形比較表明：隨著腹板厚度的增加，剪力滯效應(yīng)也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但其影響效果并不明顯，因此通過增加腹板厚度可能得不到減輕剪力滯效應(yīng)的理想結(jié)果。

3.4 橫向預(yù)應(yīng)力筋對剪力滯效應(yīng)的影響 把該控制截面在施加和未施加橫向預(yù)應(yīng)力時(shí)應(yīng)力繪制成曲線，模型一未施加橫向預(yù)應(yīng)力，模型二為施加橫向預(yù)應(yīng)力。取A—A截面為研究控制截面，距離固端為2.6m。（圖12）

由圖可知：應(yīng)力變化梯度相對較小，剪力滯效應(yīng)明顯減小，在頂板施加橫向預(yù)應(yīng)力后控制截面頂板的應(yīng)力曲線相對于未施加橫向預(yù)應(yīng)力的要趨于平緩。在頂板處施加橫向預(yù)應(yīng)力可以顯著降低剪力滯效應(yīng)的影響，可以適用于大跨徑，寬翼緣板的梁橋。

3.5 不同錨固位置對剪力滯效應(yīng)的影響 取A—A截面為研究控制截面，距離固端為2.6m，模型四為錨固位置距離頂板2.583m，模型三為錨固位置距離頂板2.083m，模型二為錨固位置距離頂板1.583m，模型一為錨固位置距離頂板0.883m。

把該控制截面在不同錨固位置時(shí)的應(yīng)力繪成曲線，如圖13。

由以上應(yīng)力對比圖可以看出，力筋錨固位置對剪力滯效應(yīng)影響并不敏感。如果將預(yù)應(yīng)力局部作用區(qū)域除外，應(yīng)力變化并不明顯，主要適用于彎起角固定不變，錨固位置變化時(shí)。

3.6 預(yù)應(yīng)力彎起角度對剪力滯效應(yīng)的影響 模型一彎曲半徑為10m，模型二彎曲半徑為12.19m，模型三彎曲半徑為15m，取A—A截面為研究控制截面，距離固端為2.6m。

由圖可知：彎起角與剪力滯效應(yīng)成反比，彎起角越小，則力筋沿縱向分力越大，剪力滯效應(yīng)越突出。

4 結(jié)果對比

選取根部截面A—A為控制截面，距離橋墩中心線2.6m。ANSYS模型計(jì)算主要選取了前四個(gè)施工節(jié)段，即0#塊，1#塊，2#塊，3#塊，4#塊，對這四個(gè)工程階段進(jìn)行分門別類，分別建立模型進(jìn)行計(jì)算。對比結(jié)果見表1。

通過以上表格計(jì)算和實(shí)測數(shù)據(jù)表，我們可以清晰地看出，隨著施工節(jié)段的增加，跨徑的逐漸增長，最大剪力滯系數(shù)逐漸減小，最小剪力滯系數(shù)逐漸增大。通過以上表格計(jì)算和實(shí)測數(shù)據(jù)表就可以看出。這表明截面隨著施工長度增加，約束增強(qiáng)，剪力滯影響變小，剪力滯效應(yīng)趨于不明顯，亦即剪力滯系數(shù)逐步趨近于同一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，頂板、底板的正應(yīng)力分布趨于均勻。剪力滯隨寬跨比的增大而增大。

5 結(jié)論

結(jié)合寬翼緣薄腹變高度連續(xù)箱梁橋懸臂澆注的施工方法，研究在施工階段重力及預(yù)應(yīng)力作用下混凝土結(jié)構(gòu)的剪力滯效應(yīng)，通過有限元模擬懸臂施工全過程的方法，隨著后澆注節(jié)段數(shù)量增加剪力滯系數(shù)呈現(xiàn)遞減規(guī)律。節(jié)段澆注施工的進(jìn)展，懸臂長度的逐步增長，節(jié)段剪力滯系數(shù)一般逐步趨近于同一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，頂板、底板縱向約束作用的增強(qiáng)，亦即剪力滯效應(yīng)趨于不明顯，頂板、底板的正應(yīng)力分布趨于均勻。亦即剪力滯效應(yīng)趨于不明顯，頂板、底板的正應(yīng)力分布趨于均勻。腹板厚度和M錨固位置的變化對剪力滯效應(yīng)影響不甚明顯。而寬高比，寬跨比越大，未施加橫向預(yù)應(yīng)力越小。通過對比實(shí)測和計(jì)算結(jié)表明，用ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析是可行的，也得到了非常精確的求解，它對設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值。

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