懸臂施工階段預(yù)應(yīng)力箱梁的剪力滯效應(yīng)分析

陳 丹

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410000)

1 剪力滯概念

由于翼板的剪切變形造成的彎曲正應(yīng)力沿梁寬方向不均勻的現(xiàn)象稱為“剪力滯效應(yīng)”。應(yīng)力不均勻分布的程度通常用剪力滯系數(shù)λ進(jìn)行度量。按照經(jīng)典理論定義為:

該式表示考慮剪力滯后求得的翼板與腹板交界處的正應(yīng)力(σmax)與按初等梁理論計(jì)算出的翼板正應(yīng)力()的比值。用λe表示翼板與腹板交界處的剪力滯系數(shù);λc表示翼板中點(diǎn)或伸臂邊緣處的剪力滯系數(shù)。λe值大于1(或λc值小于1)屬于“正剪力滯”;λe值小于1(或λc值大于1)屬于“負(fù)剪力滯”。

2 有限元分析模型與測(cè)點(diǎn)布置

2．1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本算例跨徑布置為:66 m+6×120 m+66 m。主墩采用雙肢薄壁空心柔性墩，最大墩高110．3 m。主梁采用單箱單室箱型截面，箱梁梁高、底板厚度均按2次拋物線變化。主墩、主梁均采用C55混凝土，箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力。懸臂施工階段劃分如圖1所示，箱梁0號(hào)橫斷面尺寸如圖2所示。

計(jì)算縱向正應(yīng)力用大型通用有限元分析程序Ansys，選用實(shí)體單元Solid95建立空間有限元模型，考慮施工過(guò)程計(jì)算出關(guān)鍵截面上應(yīng)力的橫向分布結(jié)果，并整理出不同懸臂長(zhǎng)度時(shí)截面的橫向正應(yīng)力。采用生死單元的方法首先殺死所有單元，然后依照施工順序0號(hào)塊的固結(jié)施工1號(hào)～17號(hào)塊懸臂施工，依次激活各相關(guān)荷載，直至計(jì)算完畢，以此模擬懸臂澆筑的施工過(guò)程。混凝土結(jié)構(gòu)中起控制性作用的往往是受拉側(cè)的應(yīng)力，所以對(duì)于懸臂施工階段本文將著重對(duì)箱梁頂板進(jìn)行分析。

2．2 測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)力主要測(cè)點(diǎn)布置在24號(hào)墩，距離墩頂中心6．5 m的位置，其測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

每施工一個(gè)塊段都要進(jìn)行兩次應(yīng)力測(cè)試，分別在澆筑完混凝土之后及張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋之后進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)力測(cè)試結(jié)果受溫度影響比較嚴(yán)重，而且沒(méi)有很好的換算方法，因此進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量避開溫度的影響，一般在早上日出之前進(jìn)行測(cè)試。

3 懸臂施工過(guò)程中的剪力滯分析

3．1 根部截面的剪力滯分析

通過(guò)平面桿系計(jì)算得到，本橋在施工過(guò)程中應(yīng)力控制截面處在懸臂端的根部。建立空間有限元模型，擬定不同的工況對(duì)模型進(jìn)行加載，進(jìn)入后處理階段，提取橫截面上的應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出不同工況下懸臂根部附近關(guān)鍵截面的剪力滯系數(shù)。同時(shí)在橋梁施工過(guò)程中，收集每個(gè)施工階段該關(guān)鍵截面的應(yīng)力數(shù)據(jù)。為了更直接明了地揭示剪力滯分布規(guī)律，本文將計(jì)算所得的應(yīng)力值以及實(shí)測(cè)所得的應(yīng)力值同時(shí)除以初等梁理論計(jì)算出來(lái)的平均應(yīng)力，得到剪力滯系數(shù)，再對(duì)其進(jìn)行分析。分析結(jié)果如表1所示。

由表1可得，施工過(guò)程中根部截面剪力滯系數(shù)在0．9～1．5之間變化，最大值出現(xiàn)在6號(hào)塊澆筑混凝土后。根據(jù)剪力滯經(jīng)典理論，本例中4號(hào)測(cè)點(diǎn)處的剪力滯系數(shù)大于1，1號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)處的剪力滯小于1，整個(gè)懸臂施工過(guò)程，懸臂根部截面幾乎不會(huì)出現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng)。

3．2 最大懸臂狀態(tài)負(fù)剪力滯分析

本文對(duì)最大懸臂狀態(tài)下縱向剪力滯系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，考慮懸臂梁受梯形荷載，所得結(jié)果繪制成曲線如圖4所示。

施工階段 測(cè)點(diǎn)編號(hào)1 2 3 4 5 6 3號(hào) 實(shí)測(cè)值0．990 1．003 1．015 1．044 1．015 0．995計(jì)算值0．997 1．003 1．010 1．039 1．008 0．997 6號(hào) 實(shí)測(cè)值1．010 1．058 1．127 1．467 1．086 1．001計(jì)算值1．013 1．086 1．144 1．402 1．063 0．999 9號(hào) 實(shí)測(cè)值0．990 1．053 1．123 1．246 1．103 0．972計(jì)算值1．008 1．081 1．133 1．174 1．095 1．037 12號(hào) 實(shí)測(cè)值0．926 1．012 1．167 1．231 1．162 1．110計(jì)算值0．994 1．081 1．191 1．152 1．087 1．051 17號(hào) 實(shí)測(cè)值0．942 1．040 1．136 1．236 1．142 1．064計(jì)算值1．011 1．025 1．087 1．189 1．043 1．013

圖4對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工階段各個(gè)截面頂板與腹板相交處的剪力滯分布進(jìn)行了描述，本橋最大懸臂長(zhǎng)度為58．5 m，從Ansys計(jì)算值可知負(fù)剪力滯現(xiàn)象出現(xiàn)在45 m～58．5 m之間，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)負(fù)剪力滯出現(xiàn)與計(jì)算值相近，比計(jì)算值略遲。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用Ansys建立空間模型和實(shí)橋?qū)崟r(shí)應(yīng)力觀測(cè)兩種方法，對(duì)大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程中正負(fù)剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:1)整個(gè)施工過(guò)程所關(guān)注的最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在懸臂梁的根部，而在該處不會(huì)出現(xiàn)負(fù)剪力滯現(xiàn)象，該截面的剪力滯系數(shù)在0．9～1．5之間。最大值出現(xiàn)在施工到1/4L時(shí)。2)變截面大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，采用懸臂澆筑施工，負(fù)剪力滯出現(xiàn)在最后幾個(gè)梁段，大約距離根部3/4L處。

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