短懸臂預(yù)應(yīng)力箱梁施工剪滯特性數(shù)值研究

蔡海良

(湖南天智交通建設(shè)技術(shù)有限公司, 湖南 長沙　410011)

?

短懸臂預(yù)應(yīng)力箱梁施工剪滯特性數(shù)值研究

蔡海良

(湖南天智交通建設(shè)技術(shù)有限公司, 湖南 長沙410011)

箱型梁剪力滯效應(yīng)的存在可影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，而目前橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對剪力滯效應(yīng)尚未作出規(guī)定。為研究預(yù)應(yīng)力箱梁在施工時(shí)的短懸臂剪滯效應(yīng)，以廣州某預(yù)應(yīng)力PC箱梁橋?yàn)閿?shù)值計(jì)算模型，基于有限元軟件ANSYS及MIDAS對預(yù)應(yīng)力PC箱梁短懸臂剪力滯效應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算與分析，研究表明短懸臂預(yù)應(yīng)力箱梁剪力滯效應(yīng)隨懸臂梁越短而越明顯。

剪力滯效應(yīng); 預(yù)應(yīng)力箱梁; 后張拉法; 短懸臂梁

1　概述

在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域，隨著結(jié)構(gòu)形式及施工工藝復(fù)雜化，采用常規(guī)的力學(xué)分析日益難以滿足工程實(shí)際對計(jì)算精度的需求。有限元法作為有效的數(shù)值模擬方法，在土木工程領(lǐng)域逐漸受到重視并得到了長足的發(fā)展。一些超大跨的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋中，其橋面寬度一般超過15 m，若采用傳統(tǒng)的以梁單元為基礎(chǔ)的桿系結(jié)構(gòu)分析軟件，當(dāng)橋梁施工處于短懸臂狀態(tài)下，橋梁結(jié)構(gòu)的梁單元特性不明顯，分析精度大幅降低，甚至失真。為研究箱梁剪力滯效應(yīng)，當(dāng)前大量學(xué)者對此展開了深入研究。陳亮[1]采用SCDS與ANSYS建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁模型并進(jìn)行單項(xiàng)及組合工況下箱梁縱向與橫向剪力滯效應(yīng)分析。王浩[2]從分析箱梁剪力滯效應(yīng)的影響因素如橫隔板厚度與間距、索塔距離、索力大小及方位等對單索面箱梁斜拉橋的剪力滯效應(yīng)。藺鵬臻[3]等人基于能量變分法分析3種預(yù)應(yīng)力筋布束方式下簡支箱梁的剪力滯效應(yīng)。祝明橋[4]等人基于大比例雙層均布荷載單箱混凝土橋梁抗彎性試驗(yàn)進(jìn)行剪力滯效應(yīng)研究，從而得出不同荷載工況下頂板底部、頂部及根部剪力滯效應(yīng)的分布規(guī)律。周旺保[5]、甘亞南[6]及向中富[7]等人從計(jì)算解析式入手，推導(dǎo)箱梁剪力滯效應(yīng)系數(shù)求解式。

為進(jìn)一步探究采用懸臂施工方法進(jìn)行橋梁建設(shè)過程中尤其是短懸臂結(jié)構(gòu)的響應(yīng)路徑，基于已有預(yù)應(yīng)力箱梁剪力滯效應(yīng)理論研究成果[8-12]，以某短懸臂后張拉預(yù)應(yīng)力PC箱梁橋?yàn)槔?，在綜合計(jì)算速度、精度和建模分析的可行性及難易程度等因素的基礎(chǔ)上，實(shí)體有限元模型采用ANSYS進(jìn)行分析，梁單元分析模型采用MIDAS-CIVIL進(jìn)行剪力滯效應(yīng)研究，并通過對比分析各個(gè)施工階段的應(yīng)力分布以及隨著后續(xù)施工階段的展開結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化歷程。

2　工程簡介

萬畝鮮切花基地至國道G105連接線新建工程位于廣州從化市城郊街及溫泉鎮(zhèn)境內(nèi)，東西走向，起點(diǎn)設(shè)于從化市萬畝鮮切花基地主干道終點(diǎn)，向東經(jīng)麻村小學(xué)跨越流溪河，經(jīng)云星村與國道G105相接，路線全長1.875 km。某預(yù)應(yīng)力橋梁上部結(jié)構(gòu)采用分離式單箱單室變截面連續(xù)箱梁，分為左、右半幅。半幅箱梁底板寬為8.5 m，頂板寬為17 m，外側(cè)懸臂4.25 m，主梁梁高為3.6～1.8 m，采用掛籃懸澆澆筑法施工，主要材料采用C50混凝土。

3　縱向正應(yīng)力模擬結(jié)果對比分析

在ANSYS模型的應(yīng)力云圖中SZ表示縱向正應(yīng)力，S1為最大主應(yīng)力，應(yīng)力表述均遵循拉為正，壓為負(fù)。分別將箱梁的頂板、底板、腹板的正應(yīng)力、主拉應(yīng)力作對比，分析截面應(yīng)力分布狀況?；诹簡卧碚揗IDAS縱向正應(yīng)力云圖如圖1～圖4所示。

圖1　Time1 Midas縱向正應(yīng)力圖Figure 1　Time1 Midas stress cloud for SZ

圖2　Time2 Midas縱向正應(yīng)力圖Figure 2　Time2 Midas stress cloud for SZ

圖3　Time3 Midas縱向正應(yīng)力圖Figure 3　Time3 Midas stress cloud for SZ

圖4　Time4 Midas縱向正應(yīng)力圖Figure 4　Time4 Midas stress cloud for SZ

考慮到后張法的預(yù)應(yīng)力施工，本章實(shí)體單元模擬部分采用兩種節(jié)點(diǎn)耦合的方式進(jìn)行模擬： ①節(jié)點(diǎn)全部耦合分析，即耦合預(yù)應(yīng)力鋼筋單元與混凝土單元的全部自由度(后文簡稱“全耦合”)； ②采用部分全耦合，局部選擇性耦合的方式(后文簡稱“半耦合”)?；趯?shí)體單元兩種不同節(jié)點(diǎn)耦合方式的ANSYS縱向正應(yīng)力云圖如圖5所示。

(a)全耦合

(b)半耦合

將相同施工階段的縱向正應(yīng)力云圖沿橫橋向路徑作比較，對比全耦合應(yīng)力云圖與半耦合應(yīng)力云圖不難發(fā)現(xiàn)：半耦合模型在預(yù)應(yīng)力筋錨固點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象很突出，因?yàn)榘腭詈夏Ｐ椭蓄A(yù)應(yīng)力在靠近中間的部分是可以滑移，只有端部的一段是有縱向約束的，故預(yù)應(yīng)力作用較為集中。而全耦合應(yīng)力云圖則應(yīng)力變化均勻，預(yù)應(yīng)力作用分布勻散。而采用梁單元時(shí)應(yīng)力分布均勻，不符合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。從基于實(shí)體單元與梁單元應(yīng)力分布云圖可以看出，橋梁結(jié)構(gòu)在短懸臂時(shí)候狀態(tài)時(shí)，采用梁單元分析的結(jié)果不能夠精確表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力響應(yīng)，進(jìn)一步也凸顯了實(shí)體單元分析短懸臂應(yīng)力分布的必要性。

將相同施工階段的縱向正應(yīng)力云圖沿橫橋向路徑作比較，對比全耦合應(yīng)力云圖與半耦合應(yīng)力云圖可知：半耦合模型在預(yù)應(yīng)力筋錨固點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象很突出，因?yàn)榘腭詈夏Ｐ椭蓄A(yù)應(yīng)力在靠近中間的部分是可以滑移，只有端部的一段是有縱向約束的，故預(yù)應(yīng)力作用較為集中。而全耦合應(yīng)力云圖則應(yīng)力變化均勻，預(yù)應(yīng)力作用分布勻散。而采用梁單元時(shí)應(yīng)力分布均勻，不符合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。從基于實(shí)體單元與梁單元應(yīng)力分布云圖可以看出，橋梁結(jié)構(gòu)在短懸臂時(shí)候狀態(tài)時(shí)，采用梁單元分析的結(jié)果不能夠精確表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力響應(yīng)，進(jìn)一步也凸顯了實(shí)體單元分析短懸臂應(yīng)力分布的必要性。

4　縱向正應(yīng)力比較

為便于詳細(xì)比較分析，分別在2#塊中部取一截面即H1(Z=5.5)、H2(Z=9)、H3(Z=13)如圖6所示，并在各截面的頂板上緣、底板下緣取一排，腹板中部取一列應(yīng)力點(diǎn)。為簡化分析過程，僅取H1截面頂板縱向正應(yīng)力進(jìn)行分析，其數(shù)值如圖7所示。

圖6　應(yīng)力分析斷面布置圖Figure 6　The section layout of stress analysis point

圖7　Z=5.5頂板各時(shí)間下縱向正應(yīng)力Figure 7　SZ of the roof section Z=5.5 m for times

正應(yīng)力在橫向并非均勻分布，在上面圖7中可看出： 在梁肋位置(腹板)處壓應(yīng)力最大。Z=5.5的頂板處剪力滯系數(shù)在time4-time8分別是2.5、3.11、1.92、2.45、1.82，Z=9的頂板處剪力滯系數(shù)在time6-time8分別是2.01、3.10、1.89，對比這些數(shù)據(jù)隨工況的變化會(huì)發(fā)現(xiàn)剪力滯系數(shù)隨著預(yù)應(yīng)力筋的張拉而減小，選擇預(yù)應(yīng)力張拉的工況可看出：隨著懸臂段的增長剪力滯系數(shù)有減小的趨勢。短懸臂時(shí)箱梁的局部應(yīng)力會(huì)較大，在結(jié)構(gòu)處于懸臂狀態(tài)(合龍之前)應(yīng)當(dāng)注意密切關(guān)注此階段受力狀況，以免在施工階段就產(chǎn)生裂縫。全耦合和半耦合兩種方法結(jié)果接近，而采用梁單元模擬數(shù)據(jù)相等與剪力滯效應(yīng)相悖，存在明顯的不足。

5　結(jié)論

① 采用半耦合方式建立實(shí)體單元的有限元模擬更能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，采用梁單元理論分析橋梁在預(yù)應(yīng)力荷載作用下的局部應(yīng)力引起的誤差，應(yīng)該引起足夠的重視。

② ANSYS預(yù)應(yīng)力筋節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)用兩種耦合方法得到的結(jié)果差異不大，但均較MIDAS有明顯區(qū)別。

③ 懸臂越短預(yù)加力作用產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象越發(fā)明顯，其剪力滯效應(yīng)也更明顯，在箱梁短懸臂時(shí)建議用三維實(shí)體軟件來分析應(yīng)力分布狀況。

[1]陳亮. 展翅大懸臂斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁剪力滯效應(yīng)分析[D].長沙:中南大學(xué), 2013.

[2]王浩. 單索面斜拉橋混凝土寬箱梁剪力滯效應(yīng)研究[D].西安:長安大學(xué), 2012.

[3]藺鵬臻, 劉應(yīng)龍, 孫理想，等. 預(yù)應(yīng)力作用下簡支箱梁橋的剪力滯效應(yīng)分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2014, 31(11):54-58.

[4]祝明橋, 魏伏佳, 趙振中,等.雙層均布荷載作用下混凝土伸臂箱梁剪力滯效應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 公路交通科技, 2014(8):77-82.

[5]周旺保, 蔣麗忠, 余志武. 一種連續(xù)箱梁的高精度解析計(jì)算方法[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014(8): 2799-2804.

[6]甘亞南, 石飛停.梯形箱梁剪力滯后效應(yīng)精細(xì)化分析[J]. 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào), 2014,31 (3):351-356.

[7]向中富, 蔣俊秋, 黃海東. 連續(xù)箱梁剪力滯系數(shù)的固定端法求解[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2014(5):1-6.

[8]劉揚(yáng), 王東東. 縱向預(yù)應(yīng)力對箱梁剪力滯效應(yīng)的差分解[J]. 交通科學(xué)與工程, 2013, 29(2):22-27.

[9]雷康. 單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋剪力滯效應(yīng)分析研究[D].西安:長安大學(xué), 2011.

[10]王東東. 預(yù)應(yīng)力作用下混凝土箱梁橋空間應(yīng)力分析[D].長沙:長沙理工大學(xué), 2013.

[11]林新元. 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁裂后受力性能研究[D].西安:長安大學(xué), 2010.

[12]武志軍. 預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋考慮剪力滯效應(yīng)的主梁應(yīng)力監(jiān)控[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2012(9):73-76.

Numerical Study of Shear Lag Characteristic in a Short Cantilevered Prestressed Box Girder

CAI Hailiang

(Hunan Tianzhi Communications Construction Technology Co. Ltd,Changsha, Hunan 410011, China)

The existence of the box beam shear lag effect could affect the safety of the structure design, the bridge structure design specification of shear lag effect has not been made, based on this to a PC girder bridge as an example, finite element software ANSYS and MIDAS were used to calculated and analysis PC girder short cantilever shear lag effect, studies have shown that short cantilever prestressed box girder shear lag effect, the more obvious with the shorter the cantilever beam.

shear lag effect; prestressed box girder; short cantilevered

2016 — 05 — 11

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(1298011-2)；中南大學(xué)博士生自主創(chuàng)新項(xiàng)目(2015zzts084)

蔡海良(1978 — )，男，湖南長沙人，高級工程師，主要從事道路與橋梁咨詢管理工作。

U 448.21+3

A

1674 — 0610(2016)04 — 0087 — 04