大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁剪力滯效應(yīng)分析

付小煩 趙鵬磊

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

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大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁剪力滯效應(yīng)分析

付小煩 趙鵬磊

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

采用實(shí)體有限元軟件Midas FEA建立了全橋模型，從不同加載位置的車輛荷載、自重、二期均布荷載等方面，分析了大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁的剪力滯效應(yīng)，總結(jié)了其分布規(guī)律，以供類似橋梁設(shè)計(jì)參考。

連續(xù)剛構(gòu)橋，剪力滯效應(yīng)，車輛荷載，箱梁

1 工程概況

廣樂(lè)高速公路是廣東省在“十一五”跨“十二五”期間規(guī)劃實(shí)施的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，項(xiàng)目主線長(zhǎng)約270 km，連接線約32 km，合計(jì)總長(zhǎng)302 km。主線擴(kuò)建路段為八車道，新建路段為六車道。全線橋梁總長(zhǎng)70 km/226座，隧道總長(zhǎng)36 km/28座，橋隧合計(jì)總長(zhǎng)106 km，橋隧比例35%。路基寬度34.5 m，單幅橋?qū)掃_(dá)16.75 m。韶關(guān)段內(nèi)的A1合同段設(shè)有多座大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁，這些橋梁規(guī)模較大，為該標(biāo)段的控制性工程。為了簡(jiǎn)化橋梁結(jié)構(gòu)，降低造價(jià)，方便施工，所有連續(xù)剛構(gòu)橋主梁均采用單箱單室箱梁。箱梁的懸臂較大，腹板間的間距也較大，箱梁的剪力滯效應(yīng)較明顯，研究該項(xiàng)目中箱梁的剪力滯效應(yīng)，對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)十分重要。

2 箱梁剪力滯效應(yīng)

箱形截面梁屬于空間結(jié)構(gòu)，其受力特性呈空間上的變化。在偏心荷載作用下，縱向彎曲產(chǎn)生豎向變位，而在橫截面上引起縱向正應(yīng)力及剪應(yīng)力。對(duì)于箱形截面梁，由于翼板中剪力滯后的影響，其應(yīng)力將會(huì)呈不均勻分布，即近肋處翼板中產(chǎn)生應(yīng)力高峰，而遠(yuǎn)離肋板處則產(chǎn)生應(yīng)力低谷，這種現(xiàn)象稱為“剪力滯后”，簡(jiǎn)稱剪力滯效應(yīng)。在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中所采用的寬箱梁，腹板間的間距較大，兩側(cè)懸臂也較大，剪力滯效應(yīng)比較明顯。初等梁理論不能適用于該類橋梁的翼板受力分析。

試驗(yàn)和理論都證實(shí)，寬箱梁存在剪力滯后現(xiàn)象，其最大正應(yīng)力值一般大于按初等梁理論計(jì)算的平均值，在實(shí)際應(yīng)用中采用剪力滯系數(shù)λ進(jìn)行描述，即：

3 有限元計(jì)算模型

本文以白土北江特大橋?yàn)槔?，?duì)箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析。該橋主橋上部構(gòu)造為(100+180+100)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，箱梁橫斷面采用單箱單室，根部梁高11.4 m，跨中梁高3.7 m，頂板厚0.28 m，底板厚從跨中至根部由0.32 m變化為1.20 m，腹板從跨中至箱梁根部分三段采用0.45 m，0.7 m，0.9 m三種厚度，箱梁高度和底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁頂板橫向凈寬16.75 m，底板寬8.0 m，翼緣懸臂長(zhǎng)4.375 m。橋梁總體布置圖見(jiàn)圖1，箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖見(jiàn)圖2。

采用有限元軟件Midas FEA建立全橋?qū)嶓w模型，對(duì)空間網(wǎng)格進(jìn)行劃分，生成以六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格單元，不規(guī)則的部位以五面體金字塔型網(wǎng)格為過(guò)渡。整個(gè)有限元模型共分為131 474個(gè)單元。

為了分析車輛荷載加載位置對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的影響，本文選取JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中規(guī)定的車輛荷載。車輛荷載縱向按照三種位置分別加載在箱梁上，即車輛重軸依次布置在：1)中跨跨中；2)主墩墩頂；3)邊跨跨中。車輛荷載橫向按照兩種加載方式，如圖3所示。

4 剪力滯效應(yīng)分析

4.1 車輛荷載作用下墩頂處剪力滯系數(shù)分布

為分析車輛荷載作用位置對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的影響規(guī)律，縱向分別按車輛荷載作用在中跨跨中及邊跨跨中，橫向分別按工況A、工況B進(jìn)行加載，繪制墩頂處頂板的剪力滯系數(shù)λ的分布圖，見(jiàn)圖4，圖5。圖中，橫坐標(biāo)為距離箱梁頂?shù)装逡粋?cè)的距離，縱坐標(biāo)為箱梁剪力滯系數(shù)。從圖中可以看出，車輛荷載作用的橫向位置對(duì)箱梁的剪力滯系數(shù)影響不大，車輛荷載作用在中跨跨中時(shí)墩頂處箱梁頂板產(chǎn)生正剪力滯效應(yīng)，車輛荷載作用在邊跨跨中時(shí)，墩頂處箱梁頂板產(chǎn)生負(fù)剪力滯效應(yīng)。

4.2 二期均布荷載作用下，箱梁剪力滯效應(yīng)

為分析二期均布荷載作用下，箱梁剪力滯效應(yīng)的分布規(guī)律，在實(shí)體單元模型中施加均布的面壓力荷載，選取中跨跨中，中跨L/4處及墩頂位置的箱梁截面，提取相應(yīng)截面的正應(yīng)力與桿系模型中的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，繪制剪力滯系數(shù)分布圖，見(jiàn)圖6，圖7。圖中，橫坐標(biāo)為距離箱梁頂?shù)装逡粋?cè)的距離，縱坐標(biāo)為箱梁剪力滯系數(shù)。從圖中可以看出，均布荷載作用下，箱梁剪力滯效應(yīng)在跨中的位置不大，靠近墩頂處的效應(yīng)較大。

4.3 自重作用下，箱梁剪力滯效應(yīng)

為了分析箱梁在自重作用下箱梁剪力滯效應(yīng)，選取中跨跨中截面及墩頂截面，分別求出箱梁頂板及底板的剪力滯系數(shù)，繪制剪力滯系數(shù)分布圖，見(jiàn)圖8，圖9。圖中，橫坐標(biāo)為距離箱梁頂?shù)装逡粋?cè)的距離，縱坐標(biāo)為箱梁剪力滯系數(shù)。從圖中可以看出，在自重作用下，中跨跨中的剪力滯效應(yīng)不是很明顯，墩頂頂板的剪力滯效應(yīng)較明顯。由于連續(xù)剛構(gòu)為墩梁固結(jié)體系，受橋墩的影響，在墩頂處，箱梁底板的剪力滯效應(yīng)也不是很明顯。

4.4 規(guī)范中的有效寬度法

在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，如果按照精確的剪力滯計(jì)算公式或空間的有限元來(lái)分析結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力，工作量較大，應(yīng)用不便。因此，現(xiàn)行JTG—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范給出了偏安全的實(shí)用計(jì)算方法，即翼緣有效寬度法，具體操作步驟是先根據(jù)平面桿系結(jié)構(gòu)理論計(jì)算箱梁一個(gè)截面的內(nèi)力，然后再對(duì)不同位置的箱形截面用不同的有效寬度折減系數(shù)將翼緣的寬度進(jìn)行折減，最后根據(jù)折減后的截面尺寸進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算及截面配筋。

按初等梁理論公式計(jì)算的應(yīng)力與其實(shí)際應(yīng)力峰值接近相等的那個(gè)翼緣折算寬度，稱為有效寬度，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于箱梁截面梁在腹板兩側(cè)上、下翼緣的有效寬度計(jì)算方法做出了規(guī)定，按規(guī)范中計(jì)算方法，計(jì)算出白土北江特大橋跨中翼緣：

bi/li=4.375/(0.6×180)=0.041。

根據(jù)規(guī)范中的ρs，ρf曲線圖，查得跨中翼緣有效寬度計(jì)算系數(shù)ρf=1。即中跨跨中處為全截面受力，不考慮箱梁剪力滯效應(yīng)。

墩頂處翼緣：

bi/li=4.375/[0.2×(180+100)]=0.041。

根據(jù)規(guī)范中的ρs，ρf曲線圖，查得墩頂處翼緣有效寬度計(jì)算系數(shù)ρf=0.8。即墩頂處需要考慮箱梁剪力滯效應(yīng)。

根據(jù)以上有效寬度法計(jì)算墩頂處頂板的應(yīng)力，與實(shí)體模型及按初等梁理論計(jì)算出的結(jié)果對(duì)比，列出對(duì)比表如表1所示。

表1 墩頂頂板應(yīng)力對(duì)比表 MPa

從表1中可以看出，車輛荷載作用在中跨跨中及均布荷載作用下，有效寬度法計(jì)算出的應(yīng)力比實(shí)體模型計(jì)算出的應(yīng)力要小，有效寬度法在本橋梁計(jì)算中是偏不安全的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立實(shí)體有限元模型，計(jì)算了連續(xù)剛構(gòu)橋主梁在不同位置的車輛荷載，均布荷載及自重作用下的截面正應(yīng)力，分析箱梁截面剪力滯效應(yīng)的分布規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1) 計(jì)算結(jié)果表明，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁在跨中處的剪力滯效應(yīng)不是很明顯，在墩頂處的剪力滯效應(yīng)較明顯，特別是墩頂處箱梁頂板的應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意增加這些位置的應(yīng)力安全儲(chǔ)備，并適當(dāng)增加配筋。2) 車輛荷載橫向的作用位置對(duì)箱梁的剪力滯效應(yīng)影響不大，縱向作用位置影響較大，作用在中跨跨中和邊跨跨中分別產(chǎn)生正剪力滯效應(yīng)和負(fù)剪力滯效應(yīng)。自重及二期恒載的剪力滯效應(yīng)不是很明顯。3) 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中的箱梁截面翼緣有效寬度計(jì)算的結(jié)果與實(shí)體有限元模型計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，兩者計(jì)算出的箱梁剪力滯效應(yīng)分布規(guī)律大致相當(dāng)。但在部分工況下，有效分布寬度法計(jì)算出的應(yīng)力比實(shí)體模型計(jì)算出的應(yīng)力要小，偏不安全，在設(shè)計(jì)中需引起重視。

[1] 范立礎(chǔ)，徐光輝.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 邵旭東，顧安邦.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] JTG D60—2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[4] JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 趙云安，王 炎.車輛荷載作用下連續(xù)箱梁橋剪力滯效應(yīng)分析[J].鐵道建筑，2013(2)：132-133.

[6] 張海濤，史慶春.混凝土箱梁截面剪力滯效應(yīng)和偏載效應(yīng)分析[J].北方交通，2014(11)：87-88.

On shearing force lag of large-span continuous rigid box girder

Fu Xiaofan Zhao Penglei

(CCCCSecondRoadSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan430056,China)

The paper adopts the solid finite element, Midas FEA, to establish the whole bridge model, analyzes the shearing force lag effect of the large-span continuous rigid box girder from the vehicle loading capacity of various loading positions, gravity, and second-phase uniform distributed load, and sums its distribution law, so as to provide some reference for similar bridges.

continuous rigid bridge, shearing contact effect, vehicle load, box girder

1009-6825(2016)24-0169-03

2016-06-19

付小煩(1984- )，男，工程師

U448.23

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