軌道交通W型槽梁在頂推施工中時(shí)變剪力滯效應(yīng)

衛(wèi) 星，古興宇，戴李俊，肖 林

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

剪力滯是由于翼緣板剪切變形不均勻，引起彎曲時(shí)遠(yuǎn)離腹板的翼緣縱向位移滯后于近腹板的翼緣縱向位移，從而導(dǎo)致彎曲應(yīng)力呈非均勻分布。若分布正應(yīng)力大于初等梁理論的正應(yīng)力，即稱之為正剪力滯效應(yīng)，反之為負(fù)剪力滯效應(yīng)。而截面形式不同，其剛度分布不同，剪力滯效應(yīng)存在較大差異[1]。

槽型梁以其高度小、噪音低在鐵路橋梁建設(shè)中發(fā)揮著重要作用[2]。不少學(xué)者分析了支座約束[2]、荷載[3-4]、構(gòu)造形式[5-9]和材料類別[10-11]等對(duì)箱梁、T梁剪力滯效應(yīng)的影響，對(duì)于槽型梁的剪力滯效應(yīng)的研究相對(duì)較少。有學(xué)者基于能量變分法對(duì)槽型梁剪力滯問(wèn)題進(jìn)行分析，得出剪力滯效應(yīng)計(jì)算公式，并得出槽型梁有效寬度計(jì)算方式[12]。

橋梁在頂推施工過(guò)程中，截面彎矩不斷變化，導(dǎo)致翼緣板上的正應(yīng)力分布也隨施工過(guò)程不斷變化，研究橋梁頂推過(guò)程中的時(shí)變剪力滯效應(yīng)對(duì)于保證施工安全具有重要意義。本文利用Midas和Ansys建立某軌道交通W型槽梁有限元模型進(jìn)行施工階段模擬，得到了施工過(guò)程中W型槽梁彎矩和剪力滯效應(yīng)，并總結(jié)了剪力滯效應(yīng)的時(shí)變規(guī)律。

1 工程概況

某軌道交通W型槽梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，跨度布置為45 m+65 m+45 m，采用變高槽型截面，底板為平坡，梁高由4.5 m圓弧形變化為2.5 m，主梁構(gòu)造如圖1所示。

圖1 主梁構(gòu)造圖（單位：mm）

該橋跨越既有高速公路，為減少對(duì)既有交通的干擾，主梁分三段現(xiàn)澆，中間梁段現(xiàn)澆后頂推就位，再支架現(xiàn)澆兩側(cè)梁段。頂推前需在高速路兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)支墩，頂推時(shí)不需進(jìn)行封閉交通。待梁體全部澆筑完畢，并張拉完所有預(yù)應(yīng)力后，拆除臨時(shí)支墩。頂推過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 頂推施工示意圖（單位：mm）

2 施工過(guò)程時(shí)變剪力滯分析

2.1 有限元計(jì)算模型

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料，利用Midas建立三維梁?jiǎn)卧Ｐ停▓D3），利用Ansys建立三維實(shí)體有限元模型（圖4）。利用Midas梁?jiǎn)卧Ｐ涂煞治龅玫浇Y(jié)構(gòu)內(nèi)力及截面平均應(yīng)力σMidas（基于初等梁理論），利用Ansys模型可分析得到截面任意點(diǎn)應(yīng)力分布σAnsys。

圖3 Midas有限元模型圖

圖4 Ansys有限元模型圖

截面上的剪力滯系數(shù)λ可定義為：

2.2 施工過(guò)程中的彎矩時(shí)變特性

利用Midas分析得到恒載作用下梁體內(nèi)力，選擇分析的典型截面為跨中截面和最大懸臂時(shí)的支點(diǎn)截面?？缰薪孛娲順蛄鹤畲笳龔澗亟孛?，最大懸臂時(shí)的支點(diǎn)截面代表橋梁最大負(fù)彎矩截面。其他截面的受力情況應(yīng)在這兩者之間。計(jì)算得出兩個(gè)控制截面彎矩隨頂推距離的變化情況如圖5所示。

圖5 頂推過(guò)程彎矩時(shí)變圖

由圖可知，跨中截面和最大懸臂支點(diǎn)截面一直在正彎矩和負(fù)彎矩的交替作用下。其中最大懸臂支點(diǎn)截面彎矩波動(dòng)幅值較大，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在施工過(guò)程中頂推37.4 m處，最大正彎矩出現(xiàn)在頂推60 m處。

2.3 施工過(guò)程中時(shí)變剪力滯效應(yīng)

W型槽梁設(shè)置有3塊腹板與底板連接。由于底板剪切變形的不均勻性，導(dǎo)致縱橋向彎曲應(yīng)力沿橫橋向非均勻分布。根據(jù)Ansys計(jì)算得出跨中截面及最大懸臂支點(diǎn)截面在頂推過(guò)程中底板處縱橋向正應(yīng)力分布剪力滯系數(shù)如圖6及圖7所示。

圖6 跨中截面底板應(yīng)力分布時(shí)變圖

圖7 最大懸臂支點(diǎn)截面底板應(yīng)力分布時(shí)變圖

通過(guò)對(duì)頂推過(guò)程中應(yīng)力分布特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)：1）頂推過(guò)程中，梁截面剪力滯效應(yīng)發(fā)生變化，甚至相同位置出現(xiàn)了剪力滯正負(fù)性質(zhì)改變；2）負(fù)剪力滯效應(yīng)多出現(xiàn)于兩側(cè)腹板位置，而正剪力滯效應(yīng)多出現(xiàn)于中間腹板位置；3）中間腹板和兩側(cè)腹板的剪力滯效應(yīng)大都呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，顯示著腹板之剪力滯效應(yīng)存在約束關(guān)系；4）頂推過(guò)程中剪力滯效應(yīng)時(shí)變曲線呈現(xiàn)出類似趨勢(shì)。

剪力滯系數(shù)之所以表現(xiàn)出時(shí)變特征，一方面頂推施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)體系從懸臂梁向簡(jiǎn)支梁轉(zhuǎn)化，于此同時(shí)截面內(nèi)力（彎矩、剪力）不斷變化，另一方面不同截面的剛度分布不同，使得正、負(fù)彎矩帶來(lái)不同的應(yīng)力分布。

2.4 施工過(guò)程中剪力滯系數(shù)的變化分析

在頂推過(guò)程中，梁截面的最大和最小剪力滯系數(shù)的時(shí)變曲線如圖8所示。

圖8 剪力滯系數(shù)時(shí)變圖

結(jié)合數(shù)據(jù)和圖形可以發(fā)現(xiàn)：1）剪力滯系數(shù)是一個(gè)隨頂推過(guò)程不斷來(lái)回變化的數(shù)值，且變化幅值不可忽視；2）最大懸臂支點(diǎn)截面剪力滯變化幅值相對(duì)較大，其中負(fù)剪力滯最低約為初等梁理論值的0.79倍，正剪力滯最大約為初等梁理論值的1.58倍；3）跨中截面剪力滯變化幅值相對(duì)較小，其中負(fù)剪力滯最低約為初等梁理論值的0.91倍，正剪力滯最大約為初等梁理論值的1.06倍，剪力滯效應(yīng)相對(duì)不明顯；4）與圖5對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最大懸臂支點(diǎn)截面的最大正剪力滯系數(shù)隨著彎矩的變化產(chǎn)生相同趨勢(shì)的變化，而跨中截面可能由于剪力滯效應(yīng)不明顯導(dǎo)致類似規(guī)律不十分明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）頂推過(guò)程中梁體截面正負(fù)彎矩交替出現(xiàn)，且最大懸臂支點(diǎn)截面彎矩波動(dòng)幅值更大。剪力滯效應(yīng)會(huì)隨頂推過(guò)程不斷變化，并可能出現(xiàn)正負(fù)性質(zhì)的更變。

2）負(fù)剪力滯效應(yīng)多發(fā)在槽型梁截面兩側(cè)腹板位置；正剪力滯效應(yīng)多出現(xiàn)在梁截面中間腹板位置。兩側(cè)腹板和中間腹板剪力滯效應(yīng)大多呈相反正負(fù)性質(zhì)，可以預(yù)見(jiàn)兩側(cè)腹板和中間腹板存在一定制約關(guān)系。

3）跨中截面剪力滯效應(yīng)相對(duì)較弱，剪力滯系數(shù)變化不明顯，在工程中認(rèn)為基本可按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，不需做多考慮。最大懸臂支點(diǎn)截面剪力滯效應(yīng)不可忽視，剪力滯系數(shù)幅值約在0.79～1.58范圍內(nèi)出現(xiàn)。在工程設(shè)計(jì)中要做到充分考慮。

4）彎矩變化幅值越大，剪力滯系數(shù)變化幅值也更大。該槽型梁中，底板的剪力滯效應(yīng)時(shí)變曲線與彎矩的時(shí)變曲線存在一定關(guān)系。在正彎矩達(dá)到最大時(shí)，出現(xiàn)最大正剪力滯系數(shù)。