波形鋼腹板組合箱梁與普通混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)橫向分布規(guī)律分析

摘 要：本文簡要介紹了剪力滯效應(yīng)，分析了波形鋼腹板組合箱梁的結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)點。利用ANSYS有限元分析軟件，建立預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁有限元模型。重點分析了對稱荷載作用下波形鋼腹板組合箱梁與普通混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)橫向分布規(guī)律，得出波形鋼腹板組合箱梁比普通混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)要弱的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；剪力滯；有限元；箱梁

1.引言

箱型截面梁具有抗扭剛度大、取材方便、整體性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。“剪力滯效應(yīng)”作為箱型截面梁的一大“特點”，一直困擾著眾多橋梁設(shè)計與施工人員。“剪力滯效應(yīng)”的存在會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，就會低估箱梁結(jié)構(gòu)實際產(chǎn)生的應(yīng)力，從而造成結(jié)構(gòu)的不安全。

2.波形鋼腹板組合箱梁的結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)點

波形鋼腹板PC組合箱梁主要由混凝土底板及頂板、波形鋼腹板、混凝土橫隔板、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索、體外預(yù)應(yīng)力索以及剪切連接件組成。其典型特點為波形鋼腹板替代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土腹板。波形鋼腹板PC組合箱梁使用波形鋼腹板代替混凝土腹板，大大降低了箱梁截面的重量，橋梁整體受力比較明確，充分發(fā)揮了混凝土和鋼材的使用性能，其有效的融合了箱梁、體外預(yù)應(yīng)力與組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，減小由徐變收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失，避免了腹板裂縫，加快施工進(jìn)度，波形鋼腹板箱梁更美觀，有利于材料回收與循環(huán)利用。

3.空間有限元分析模型的建立及結(jié)果分析

3.1以ANSYS有限元分析軟件為平臺，采用精細(xì)化建模技術(shù)與參數(shù)化建模方法，建立精細(xì)化與參數(shù)化的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁簡支梁橋模型，模型長度為30m。

3.2有限元分析模型的特性

本文所研究的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的橫向典型構(gòu)造尺寸見圖1、2。采用SOLID65單元來模擬鋼筋混凝土部分，用LINK8單元來模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋，SHELL63單元來模擬波形鋼板。箱梁采用C50混凝土。

3.3有限元模型的建立

利用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，建立了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁有限元分析模型。模型采用分離式模型，利用切分法建模，準(zhǔn)確切分出預(yù)應(yīng)力筋的具體位置，預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加。

4、兩種箱梁剪力滯效應(yīng)橫向分布規(guī)律分析

外荷載在橫向加載形式主要為對稱加載，即荷載施加在兩側(cè)翼板與腹板交界處。本節(jié)以集中荷載為施加對象，施加到箱梁跨中截面，以探明荷載橫向變位對波形鋼腹板箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)差異。后文所有章節(jié)中圖表的標(biāo)注中：“普通梁”為“普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁”的簡稱，“波形梁”為“波形鋼腹板PC組合箱梁”的簡稱。

對箱梁施加總大小為20kN的荷載，計算箱梁跨中截面頂板及底板的剪力滯系數(shù)，圖5、6分別為兩種箱梁跨中截面頂板及底板的剪力滯系數(shù)橫向分布規(guī)律對比圖。

由圖5可知，兩種箱梁跨中截面頂板在對稱加載工況作用下的剪力滯系數(shù)均呈對稱”M”型分布，最大剪力滯系數(shù)均出現(xiàn)在翼板與腹板交界處，隨后朝兩邊減小，最小值出現(xiàn)在翼緣板邊緣。其中，波形鋼腹板PC組合箱梁最大剪力滯系數(shù)為1.158；普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁最大剪力滯系數(shù)為1.286。兩者相比之下，“波形梁”頂板剪力滯系數(shù)最大值小于“普通梁”頂板最大剪力滯系數(shù)，“波形梁”剪力滯系數(shù)最小值大于“普通梁”剪力滯系數(shù)最小值，前者頂板中點位置處剪力滯系數(shù)大于后者相同位置處。

由圖6可知，兩種箱梁跨中截面底板在對稱加載工況作用下的剪力滯系數(shù)均呈對稱”U”型分布，最大剪力滯系數(shù)均出現(xiàn)在底板邊緣附近，最小剪力滯系數(shù)均出現(xiàn)在底板中心位置。其中，波形鋼腹板PC組合箱梁底板最大剪力滯系數(shù)位于底板與腹板連接處，為1.077，最小剪力滯系數(shù)為0.869；普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁最大剪力滯系數(shù)為1.10，最小剪力滯系數(shù)為0.929。

5結(jié)論

通過ANSYS有限元軟件計算結(jié)果的分析，可以得出以下幾點結(jié)論：

（1）波形鋼腹板組合箱梁跨中截面為正剪力滯效應(yīng)。頂板最大剪力滯系數(shù)出現(xiàn)在腹板與頂板的交界處，底板的剪力滯系數(shù)最大值在腹板與底板的交界處。

（2）對稱荷載作用下，波形鋼腹板PC組合箱梁頂板剪力滯效應(yīng)要弱于普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁頂板剪力滯效應(yīng)，波形鋼腹板PC組合箱梁能降低箱梁頂板剪力滯效應(yīng)。

（3）對稱荷載作用下，在相同橫向?qū)挾任恢闷胀A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板剪力滯系數(shù)均大于波形鋼腹板PC組合箱梁剪力滯系數(shù)，在對稱荷載作用下前者剪力滯效應(yīng)強(qiáng)于后者剪力滯效應(yīng)。

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（作者單位：荊州市五維公路勘察設(shè)計有限公司）