荷載作用形式對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響

黃文雄，王鵬，楊柳，龔倩倩　(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

譚利英　(荊州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 荊州 434000)

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荷載作用形式對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響

黃文雄，王鵬，楊柳，龔倩倩(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

譚利英(荊州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 荊州 434000)

[摘要]為研究荷載橫向變位和縱向多點(diǎn)加載工況下，箱梁荷載施加截面的剪力滯效應(yīng)，以ANSYS有限元分析軟件為平臺(tái)，并將荷載在縱向分為單點(diǎn)加載與雙點(diǎn)加載2種情況，在橫向分為對(duì)稱加載、偏心加載和中心加載3種情況。分析了單點(diǎn)加載與雙點(diǎn)加載情況下加載截面處的剪力滯效應(yīng)，對(duì)比研究了單點(diǎn)加載與雙點(diǎn)加載工況下跨中截面剪力滯效應(yīng)。結(jié)果表明，在單點(diǎn)及雙點(diǎn)加載情況下，中心加載對(duì)箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響最大，偏心加載次之，對(duì)稱加載相對(duì)最??；在單點(diǎn)加載情況下，偏心加載對(duì)箱梁底板剪力滯效應(yīng)影響最大，中心加載次之，對(duì)稱加載相對(duì)最小；單點(diǎn)加載情況下箱梁跨中頂板及底板剪力滯效應(yīng)均明顯強(qiáng)于雙點(diǎn)加載情況下箱梁跨中頂板及底板剪力滯效應(yīng)。

[關(guān)鍵詞]橋梁工程；剪力滯效應(yīng)；有限元分析；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；荷載形式

預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面梁適用于眾多大型橋梁之中，箱形橋梁所涉及的剪力滯效應(yīng)的問(wèn)題困擾著眾多設(shè)計(jì)和施工人員，雖然國(guó)內(nèi)外部分從事橋梁方向的人員對(duì)剪力滯效應(yīng)有了較多的研究，也取得了比較豐富的成果。但相關(guān)研究大多是在箱梁腹板與頂板交界處施加對(duì)稱荷載，該種方法雖然計(jì)算方便，但卻忽略了實(shí)際工程中的一些實(shí)質(zhì)性問(wèn)題，如實(shí)際箱梁橋不是嚴(yán)格的受對(duì)稱外荷載，更多的是受其他形式的荷載[1，2]。箱形梁的剪力滯效應(yīng)是一個(gè)比較復(fù)雜的空間問(wèn)題，荷載的作用形式對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)有著重要影響，如果忽略荷載作用位置對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)產(chǎn)生的影響，必然會(huì)對(duì)實(shí)際工程帶來(lái)較大的安全隱患[3～5]。為此，筆者以數(shù)值仿真為主要方法，以大型通用有限元分析軟件ANSYS為平臺(tái)[6]，介紹了常用的外荷載作用形式，重點(diǎn)分析了幾種外荷載作用形式對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響，從而更加真實(shí)的研究荷載橫向變位和縱向變位等工況下箱梁橋剪力滯效應(yīng)變化情況，以便更好為實(shí)際工程提供參考。

1有限元分析模型的建立

通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)工程的橋梁進(jìn)行調(diào)查分析，提取典型箱梁截面，建立跨徑為30m的簡(jiǎn)支箱梁橋。模型采用SOLID65單元來(lái)模擬鋼筋混凝土部分，用LINK8單元來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋,建立的箱梁模型如圖1所示[7～10]。

圖1　箱梁有限元分析模型

2外荷載的作用形式

為研究荷載橫向變位、縱向多點(diǎn)加載情況下箱梁荷載施加截面的剪力滯效應(yīng)，筆者以集中荷載為外荷載加載對(duì)象，并將荷載分為縱向加載和橫向加載2種形式。外荷載在縱向加載形式分為僅在跨中截面位置加載，稱為單點(diǎn)加載，如圖2(a)所示；以及三分點(diǎn)位置的加載，稱為雙點(diǎn)加載，如圖2(b)所示。外荷載在橫向加載形式分為3種，第1種稱為對(duì)稱加載，即荷載施加在兩側(cè)翼板與腹板交界處，如圖3(a)所示；第2種稱為偏心加載，即荷載施加在一側(cè)翼板與腹板交界處，如圖3(b)所示；第3種稱為中心加載，即荷載施加在頂板中點(diǎn)，如圖3(c)所示。利用縱向加載與橫向加載的6種組合工況，即單點(diǎn)對(duì)稱加載、單點(diǎn)偏心加載、單點(diǎn)中心加載、雙點(diǎn)對(duì)稱加載、雙點(diǎn)偏心加載、雙點(diǎn)中心加載，來(lái)分析荷載作用形式對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響。

圖2　縱向加載形式

圖3　橫向加載形式

3有限元分析模型求解結(jié)果

圖4　單點(diǎn)對(duì)稱加載工況箱梁縱向正應(yīng)力云圖

利用上述的加載形式，對(duì)模型梁施加荷載，同時(shí)保證總的外荷載大小一定，分別求解分析上述六種工況下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁典型截面的剪力滯后效應(yīng)。筆者僅示單點(diǎn)對(duì)稱加載工況下的模型求解結(jié)果，圖4為單點(diǎn)對(duì)稱加載工況下整個(gè)梁的縱向正應(yīng)力云圖，圖5(a)、(b)分別為單點(diǎn)對(duì)稱加載工況下跨中截面(即荷載施加截面)頂板、底板縱向正應(yīng)力圖。

4各加載工況下結(jié)果分析

對(duì)以上6種工況求解，運(yùn)用有限元后處理技術(shù)提取結(jié)果，并整理分析。對(duì)單點(diǎn)加載情況下3種工況下跨中截面、雙點(diǎn)加載情況下3種工況下荷載施加截面頂板及底板的剪力滯系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)單點(diǎn)加載及雙點(diǎn)加載情況下跨中截面的剪力滯系數(shù)對(duì)比分析。

圖5　單點(diǎn)對(duì)稱加載工況跨中截面頂板縱向正應(yīng)力圖

1)單點(diǎn)加載工況跨中截面處剪力滯系數(shù)對(duì)比分析將荷載以單點(diǎn)集中荷載施加，通過(guò)改變荷載的橫向作用位置，研究荷載橫向變位對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)產(chǎn)生的影響，為此對(duì)比分析單點(diǎn)對(duì)稱加載、單點(diǎn)偏心加載以及單點(diǎn)中心加載這3種情況。

由圖6(a)可知，單點(diǎn)對(duì)稱加載工況下箱梁跨中截面頂板剪力滯系數(shù)呈對(duì)稱“M”型分布，最大剪力滯系數(shù)出現(xiàn)在腹板與翼板交界處，最大值為1.43，最小值出現(xiàn)在翼板邊緣為0.72；單點(diǎn)偏心加載工況下箱梁跨中截面頂板剪力滯系數(shù)最大值出現(xiàn)在荷載施加一側(cè)頂板與腹板交界處，最大值為2.17，最小值出現(xiàn)在翼板邊緣為0.64；單點(diǎn)中心加載工況下最大值出現(xiàn)在頂板中點(diǎn)附近，為5.96，最小值出現(xiàn)在翼板邊緣為0.25。單點(diǎn)中心加載最大剪力滯系數(shù)比對(duì)稱加載情況下增大了316.8%，比偏心加載最大剪力滯系數(shù)增大了174.7%，最小值比對(duì)稱加載情況下減小了188%，比偏心加載情況下減小了156%。因此，單點(diǎn)中心加載對(duì)箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響最大，單點(diǎn)偏心加載次之，單點(diǎn)對(duì)稱加載相對(duì)最小。

由圖6(b)可知，施加單點(diǎn)對(duì)稱荷載所求得最大剪力滯系數(shù)位于底板邊緣，為1.10，最小值位于底板中點(diǎn)，為0.92；施加單點(diǎn)偏心荷載所求得最大剪力滯系數(shù)位于施加荷載一側(cè)的底板邊緣，為1.52，最小值位于另一側(cè)底板邊緣，為0.68；施加單點(diǎn)中心荷載所求得最大剪力滯系數(shù)位于底板邊緣，為1.22，最小值位于底板中點(diǎn)，為0.88。因此，單點(diǎn)偏心荷載箱梁底板剪力滯效應(yīng)影響最大，單點(diǎn)中心加載次之，單點(diǎn)對(duì)稱加載相對(duì)最小。

圖6　單點(diǎn)加載情況下跨中截面剪力滯系數(shù)變化

2)雙點(diǎn)加載工況跨中截面剪力滯系數(shù)對(duì)比分析為研究縱向多點(diǎn)加載情況下箱梁荷載施加截面的剪力滯效應(yīng)，采用常見(jiàn)的三分點(diǎn)加載方式，按照上述雙點(diǎn)加載情況下的3種加載工況加載，對(duì)比分析雙點(diǎn)對(duì)稱加載、雙點(diǎn)偏心加載、雙點(diǎn)中心加載3種工況下三分點(diǎn)截面剪力滯效應(yīng)。

由圖7(a)可知，箱梁頂板在雙點(diǎn)加載情況下荷載施加截面處的剪力滯效應(yīng)類似與單點(diǎn)加載情況下荷載施加截面處的剪力滯效應(yīng)，單點(diǎn)中心加載對(duì)箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響最大，最大剪力滯系數(shù)為2.71；單點(diǎn)偏心加載次之，最大剪力滯系數(shù)為2.06；為單點(diǎn)對(duì)稱加載相對(duì)最小，最大剪力滯系數(shù)為1.48。

由圖7(b)可知，箱梁底板在3種工況下的剪力滯效應(yīng)差異不大，雙點(diǎn)偏心加載與雙點(diǎn)中心加載剪力滯系數(shù)分布曲線均在雙點(diǎn)對(duì)稱加載剪力滯系數(shù)分布曲線附近。因此，3種工況對(duì)箱梁底板剪力滯效應(yīng)的影響大同小異。

圖7　雙點(diǎn)加載情況下剪力滯系數(shù)變化

3)單點(diǎn)加載及雙點(diǎn)加載情況下跨中截面剪力滯系數(shù)對(duì)比分析簡(jiǎn)支梁跨中截面彎矩最大，其剪力滯系數(shù)也備受關(guān)注，為研究縱向單點(diǎn)與多點(diǎn)加載情況下跨中截面剪力滯系數(shù)，對(duì)比分析單點(diǎn)及雙點(diǎn)加載情況下對(duì)稱、偏心、中心加載工況跨中截面剪力滯系數(shù)。

由圖8～10的分析可知，雙點(diǎn)加載情況下箱梁跨中截面剪力滯系數(shù)大致均在1.0左右，單點(diǎn)加載情況下跨中截面剪力滯效應(yīng)均比較明顯。因此，單點(diǎn)加載情況下箱梁跨中頂板及底板剪力滯效應(yīng)均明顯強(qiáng)于雙點(diǎn)加載情況下箱梁跨中頂板及底板剪力滯效應(yīng)。

圖8　對(duì)稱荷載情況下剪力滯系數(shù)對(duì)比

5結(jié)論

通過(guò)有限元軟件對(duì)模型的求解分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

圖9　偏心荷載情況下剪力滯系數(shù)對(duì)比

圖10　中心荷載情況下剪力滯系數(shù)對(duì)比

1)在單點(diǎn)加載情況下，中心加載對(duì)箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響最大，偏心加載次之，對(duì)稱加載相對(duì)最??；偏心加載對(duì)箱梁底板剪力滯效應(yīng)影響最大，中心加載次之，對(duì)稱加載相對(duì)最小。

2)箱梁頂板在雙點(diǎn)加載情況下，中心加載對(duì)箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響最大，偏心加載次之，對(duì)稱加載相對(duì)最?。欢鴮?duì)箱梁底板剪力滯效應(yīng)的影響差異不大。

3)單點(diǎn)加載情況下箱梁跨中頂板及底板剪力滯效應(yīng)均明顯強(qiáng)于雙點(diǎn)加載情況下箱梁跨中頂板及底板剪力滯效應(yīng)。

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[編輯]計(jì)飛翔

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)01-0034-05

[中圖分類號(hào)]U398.9

[作者簡(jiǎn)介]黃文雄(1980-)，男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事現(xiàn)代橋式及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方面的研究工作；E-mail:84583318@qq.com。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408057)；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(104892014002)。

[收稿日期]2015-10-18

[引著格式]黃文雄，王鵬，楊柳，等.荷載作用形式對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(1)：34～38.