非對稱荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)研究

黃文雄　楊先凡　王　鵬　鄭傳奇　郭　展（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院）

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非對稱荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)研究

黃文雄楊先凡王鵬鄭傳奇郭展
（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院）

【摘要】為研究非對稱荷載對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響，選定典型結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱形梁，以Ansys有限元分析軟件為工具，采用分離式模型，建立了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁有限元模型。對比分析了對稱荷載與非對稱荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的差異，并重點(diǎn)分析了非對稱荷載作用下箱梁寬跨比、跨高比、預(yù)應(yīng)力大小等參數(shù)對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明：非對稱荷載作用下剪力滯系數(shù)大小明顯高于對稱荷載；寬跨比對箱梁剪力滯效應(yīng)影響最大，且其對頂?shù)装逵绊懘篌w相當(dāng)；隨著跨高比的增大，箱梁頂板、底板其剪力滯系數(shù)均逐漸減小，且頂板的變化更加顯著；預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng)，加大底板剪力滯效應(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；非對稱荷載；影響因素

“剪力滯效應(yīng)”是指翼緣較寬的箱型梁由于翼板中的剪切變形導(dǎo)致縱向正應(yīng)力沿翼板寬度呈不均勻分布，其間存在傳力的滯后現(xiàn)象。“剪力滯效應(yīng)”的存在將會(huì)使混凝土箱梁局部位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至開裂；若忽略剪力滯的影響，就會(huì)低估箱梁結(jié)構(gòu)實(shí)際產(chǎn)生的應(yīng)力，從而造成結(jié)構(gòu)的不安全［1-3］。

目前，關(guān)于荷載對箱梁剪力滯效應(yīng)的研究主要是對稱集中荷載與均布荷載，并取得了較多的成果，但是實(shí)際橋梁的受力狀態(tài)較復(fù)雜，并不全是對稱荷載作用，更多的是非對稱荷載作用［4-6］。因此，很有必要對非對稱荷載下的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)進(jìn)行研究，以更好的服務(wù)于工程實(shí)際。

1　箱梁有限元分析模型的建立與結(jié)果分析

1.1箱梁有限元分析模型的建立

基于實(shí)際工程中箱型梁橋典型結(jié)構(gòu)與尺寸的分析，箱梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，計(jì)算跨徑為30m，外荷載采用集中荷載的形式，分別施加于單側(cè)箱梁腹板頂面（非對稱荷載）或雙側(cè)箱梁腹板頂面（對稱荷載）。

基于ANSYS有限元分析軟件，采用精細(xì)化建模技術(shù)與參數(shù)化建模方法進(jìn)行建模［7-9］。模型采用分離式模型，采用切分法準(zhǔn)確確定預(yù)應(yīng)力筋的具體位置，預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加［10-12］。鋼筋混凝土采用SOLID65單元來模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元來模擬。箱梁基本尺寸與所建有限元模型如圖1所示。

圖1　箱梁基本尺寸與有限元模型分析示意圖（單位：cm）

1.2對稱荷載與非對稱荷載作用下箱梁剪力滯效應(yīng)

分別在單側(cè)箱梁腹板頂面與雙側(cè)箱梁腹板頂面各施加P=10kN的集中力，得到非對稱荷載與對稱荷載作用下箱梁跨中截面剪力滯系數(shù)變化規(guī)律，如圖2所示。

由圖2可知：非對稱荷載作用下，箱梁頂板最大剪力滯系數(shù)在荷載作用側(cè)腹板與頂板交界處有最大值為2.169，朝兩邊逐漸減小，另一側(cè)頂板邊緣剪力滯系數(shù)最小值為0.640；箱梁底板最大剪力滯系數(shù)從荷載作用側(cè)向另外一側(cè)逐漸減小，在荷載作用側(cè)最大值為1.539，另一側(cè)最小值為0.672。而在對稱荷載作用下，其剪力滯效應(yīng)呈對稱分布，且其最大與最小剪力滯效應(yīng)都相對更弱。

圖2　非對稱荷載與對稱荷載作用下箱梁頂板、底板剪力滯系數(shù)

2　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下剪力滯效應(yīng)分析

影響箱梁剪力滯效應(yīng)的參數(shù)較多，本文主要分析非對稱荷載作用下寬跨比、跨高比、預(yù)應(yīng)力大小對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響程度。

2.1寬跨比對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響

箱梁的計(jì)算跨徑為30m，考慮寬跨比（B/L）分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8時(shí)箱梁頂板及底板最大剪力滯系數(shù)變化。

圖3　不同寬跨比下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢

圖4　不同跨高比時(shí)箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢

由圖3可知：在非對稱荷載作用下，隨著寬跨比的增大，無論底板還是頂板剪力滯效應(yīng)系數(shù)均大致呈線性增加，且其對頂?shù)装逵绊懘篌w相當(dāng)。當(dāng)寬跨比由0.2變到0.8時(shí)，頂板的剪力滯系數(shù)由1.560增大到3.725，增加了約138.8%；底板的剪力滯系數(shù)由1.223增大到3.345，增加了約137.5%。

2.2跨高比對箱梁剪力滯系數(shù)的影響

箱梁的計(jì)算跨徑為30m，考慮跨高比（L/H）分別為12、10、8、6、4時(shí)箱梁頂板及底板的最大剪力滯系數(shù)變化。

由圖4可知：在非對稱荷載作用下，隨著跨高比的增大，無論是箱梁的頂板還是底板其剪力滯系數(shù)均逐漸減小，但其對頂板的影響更加顯著。當(dāng)跨高比由4增大到12時(shí)，頂板剪力滯系數(shù)由3.13減小到1.933，減小了約38.2%；底板剪力滯系數(shù)由1.572減小到1.519，減小了了約3.4%。

圖5　不同預(yù)應(yīng)力作用下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢

2.3預(yù)應(yīng)力大小對箱梁剪力滯系數(shù)的影響

分別設(shè)置預(yù)應(yīng)力大小為：0kN、1kN、2kN、3kN、4kN、5kN，保持其他參數(shù)不變，得到不同預(yù)應(yīng)力作用下的箱梁頂板及底板的最大剪力滯系數(shù)變化圖。

由圖5可知：當(dāng)不施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，頂板剪力滯系數(shù)最大為2.172，底板剪力滯系數(shù)最小為1.499。隨著預(yù)應(yīng)力的增大，頂板的剪力滯系數(shù)大致呈線性減少，底板剪力滯系數(shù)越來越大。當(dāng)預(yù)應(yīng)力增大到5kN時(shí)，頂板剪力滯系數(shù)減小了約12.3%，底板剪力滯系數(shù)增大了約53.2%。故而，預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng)，加大底板剪力滯效應(yīng)；且對底板的剪力滯效應(yīng)影響要比頂板更明顯。

3　結(jié)論

基于ANSYS有限元軟件及建立的精細(xì)化有限元分析模型，通過對非對稱荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)分布與變化規(guī)律的分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

⑴在相同大小的對稱荷載與非對稱荷載作用下，非對稱荷載對箱梁頂板的剪力滯效應(yīng)影響要比對稱荷載作用下更加明顯。

⑵非對稱荷載作用下，寬跨比對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響最大；隨著寬跨比的增大，無論底板還是頂板剪力滯系數(shù)均大致呈線性增加，且其對頂?shù)装逵绊懘篌w相當(dāng)。

⑶非對稱荷載作用下，隨著跨高比的增大，無論是箱梁的頂板還是底板其剪力滯系數(shù)均逐漸減小，但其對頂板的影響更加顯著。

⑷非對稱荷載作用下，預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng)，加大底板剪力滯效應(yīng)；且對底板的剪力滯效應(yīng)影響要比頂板更明顯?！?/p>

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*基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（104892014002）