彎曲寬箱梁剪力滯分析

彎曲寬箱梁剪力滯分析

李成1，劉晨光2

（1中煤科工集團重慶設計研究院，重慶400016；2四川建筑職業技術學院，四川德陽618000）

該文介紹了曲線梁與直線橋區別和剪力滯效應，運用有限元軟件對彎曲寬箱梁受力性能進行了分析，得出了其在自重作用下應力狀態和支座處剪力滯效應規律。通過計算得出，在一定曲率半徑范圍內，彎曲寬箱梁在自重及偏心車道荷載作用下順橋正剪力滯系數有較好的規律分布，最大值一般在4左右，以及外側支座處剪力滯系數大于內側。

彎曲寬箱梁；受力性能；剪力滯效應；應力分布；曲線梁橋；直線橋；彎扭耦合

1 概述

曲線梁橋由于結構自身存在著與直線橋最本質的區別——彎扭耦合問題[1-2]，因此曲線梁橋的設計、施工及研究的難度比直線橋大得多，并且在目前規范中關于曲線梁橋涉及的也比較少。

在寬箱梁[3]中普遍存在剪力滯后效應，忽略剪力滯效應的影響，就會低估箱梁腹板和翼板交接處的撓度和應力。如20世紀60年代國外發生的多起橋梁箱梁破壞事故。從對這些出現事故的橋梁的設計方法進行深入分析后，發現都沒有仔細分析“剪力滯效應[4]”。國內橋梁設計中未考慮剪力滯效應而出現事故的橋梁也數不甚數，由于未考慮剪力滯效應，使得橋梁實際應力大于設計應力，導致應力集中造成橋梁發生破壞。

剪力滯效應的分析方法主要有五種：卡曼理論、彈性理論、比擬桿法、能量變分法、數值分析法。近年來計算機的普遍應用使得數值分析法得到了快速發展[5]，數值分析法包括有限元法、有線條法、有限段法。本文采用有限元方法進行分析，有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。利用有限元法分析的最大優勢就是能夠獲取全面而又準確的應力分布圖像，計算結果具有針對性和可靠性[6]。

有限元分析可分成三個階段，前置處理、計算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元網格劃分；后置處理則是采集處理分析結果。

2 研究對象及模型

本文研究的彎曲寬箱梁跨徑（30+36+30）m，橫斷面尺寸如圖1所示。內側腹板從外向內依次為1#～5#腹板，支座布置對應于2#與4#腹板位置處。混凝土密度取26kN/m3，取C50混凝土彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比vc為0.1667。

圖1 橫斷面圖

本文采用圖2所示的支座布置以及圖3所示的跨徑布置形式，曲率半徑分別選取60m、90m、120m和直橋。

圖2 支座布置圖

圖3 跨徑布置圖

采用空間有限元程序ANSYS[7-8]建立簡支曲線鋼箱梁模型進行分析計算，箱梁頂板、底板、翼板、腹板均用板殼單元SHELL63單元模擬[9]。SHELL63既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載。本單元每個節點具有6個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動。整體坐標系為：沿橋跨方向為X方向，橫橋向為Y方向，垂直橋面豎向為Z方向，原點在圓心處。

按照圖1提供的板厚建立有限元模型如圖4。

圖4 有限元模型圖

計算荷載考慮自重和車道荷載，其中汽車荷載全跨承受對稱均布荷載，大小為q＝10.5kN/m，作用位置為翼板與腹板相交處。剪力滯系數λ[10]定義為：考慮剪力滯效應影響所求得的正應力除以按初等梁理論所求得的正應力。其中按初等梁理論所求得的正應力是根據翼板實際應力圖下的面積除以翼板寬度而近似得到。

本文按照以下思路計算剪力滯系數λ：

當等距離提取應力值時：

其中l為截面寬度。

3 計算結果及分析

3.1 自重作用下剪力滯效應分析

按照前述的建模參數，采用ANSYS計算結果如下，由于各曲率半徑下正應力狀態相似，所以圖5只給出了90m自重作用下的頂板順橋向正應力云圖。

圖5 自重作用下正應力云圖

將不同曲率半徑下L2截面橋面板正應力圖提取繪制如表1和圖6（表1中x為橋面到內側邊緣橫橋向距離）。

表1 自重作用下橫橋向正應力值（MPa）

圖6 自重作用下L2截面正應力分布（MPa）

從應力分布圖可以看出，支座處順橋向正應力幅隨半徑增大而減小，顯示出很好的規律性。跨中也有相似的規律，但在直橋時有突然增大的趨勢。

根據之前定義的剪力滯系數的計算方法，可計算出該截面剪力滯系數λ如表2和圖7。

表2 自重作用下剪力滯效應系數

圖7 自重作用下L2剪力滯系數

從表2可以看出，在自重作用下，截面外側剪力滯系數大于內側，其中外側支座處剪力滯系數曲率半徑為120m時達到3.69，曲率半徑為120m時達到2.59，從12.08m至21.14m剪力滯系數均大于1，可見在自重作用下彎梁外側承擔大部分荷載。

3.2 偏心車道荷載作用下剪力滯效應分析

由于自重屬于對稱荷載，為了考慮彎梁在偏心荷載作用下受力性能。下面將車道荷載作為偏心荷載施加在彎梁上，大小根據04橋梁通用規范[11]規定的q=10.5kN/m，暫且不考慮集中荷載，位置在由外向內第二個中腹板處。計算給出80m的應力狀態，結果如圖8。

將L2截面正應力圖提取繪制如表3和圖9。

根據之前定義的剪力滯系數的計算方法，可計算出該截面剪力滯系數λ如表4和圖10。

從以上計算可以看出，彎曲梁應力沿順橋向分布呈對稱形狀，L2截面處頂板在偏心車道荷載作用下剪力滯系數當曲率半徑在一定范圍（本文中為60m～120m）時變化很相近，但在直橋狀態時產生了突變，峰值由4突變到11附近，可見當曲率半徑不斷增大時，彎曲寬箱梁剪力滯效應越來越顯著。

圖8 車道荷載作用下正應力云圖

表3 車道荷載作用下橫橋向正應力值（MPa）

圖9 車道荷載作用下L2截面正應力分布

表4 車道荷載作用下L2截面剪力滯效應系數

圖10 車道荷載作用下L2剪力滯系數

4 結語

從本文分析可以得出以下結論。

（1）自重與車道荷載作用下，在一定的曲率半徑下，彎曲寬箱梁頂板剪力滯系數一般為4，外側支座處剪力滯系數大于內側。

（2）自重荷載作用下，中支座處剪力滯效應呈現出良好的規律，隨著半徑的增大應力值減小，但在直橋時有突變。車道荷載作用下，中支座處與自重作用下有相似的規律，但剪力滯系數突變很大，峰值由4突變到11附近。

（3）本文研究了彎橋在自重與偏心車道荷載作用下的受力性能，對于不同結構體系，比如支座形式及位置改變時的受力性能有待于進一步研究。

[1]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001（7）.

[2]姚玲森.曲線橋[M].北京：人民交通出版社，1998.

[3]張士鐸，鄧小華，王文州.箱形薄壁梁剪力滯效應[M].北京:人民交通出版社，1998.

[4]鄒毅松，李成君，易祥軍.薄壁箱梁剪力滯效應計算方法研究[J].交通標準化.2012(05):93-99.

[5]周世軍.箱梁的剪力滯效應分析[J].工程力學，2008，25（2）.

[6]周世軍.剪力滯對箱梁彎曲剛度影響的分析[J].鐵道學報，2010，32（4）.

[7]王新榮，初旭宏.ANSYS有限元基礎教程[M].北京：電子工業出版社，2011.

[8]（美）莫維尼.有限元分析——ANSYS理論與應用:第三版[M].北京：電子工業出版社，2008.

[9]潘穎，鄧宇.基于ANSYS平臺計算分析薄壁箱梁的剪力滯效應[J].四川建筑，2007(02):153-154.

[10]楊秀珍.連續曲線鋼箱梁剪力滯效應分析[J].鐵道建筑，2006(2):1-3.

[11]中交公路規劃設計院.JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

責任編輯：孫蘇，李紅

清水墻保護一法

清水磚墻技術是以磚的組砌方式、拱券、挑檐、磚刻四種傳統操作工藝組合而成的建筑藝術，其中以磚縫之精致為我國獨有。以傳統建筑磚的顏色紅、灰為基調，紅之溫馨、灰之典雅，營造不同造型、風格的建筑，掩映在綠蔭花叢自然環境中，給人以賞心悅目的感受。磚的色澤不受環境污染，是永恒不變的，磚紅才是正宗的中國紅，經雨水沖刷，在陽光折射下，又會呈現出一棟新樓，大雪紛飛時，又會有別樣的感覺，總之清水磚墻以樸實無華的美感，使人們難以忘懷，可惜此類營造操作工藝隨清水磚墻建筑日漸消失，能存留下來的更顯珍貴。

在舊房改造中，對清水磚墻存在一些不好的做法，望能引以為戒。

(1)用顏色涂料。美容"清水墻，用畫筆描繪磚縫，且不說涂料與磚面粘結能否持久，這種做法使原來清晰整潔的墻面變得模糊，猶如舞臺布景。

(2)用面磚覆蓋清水墻。上海優秀建筑延安中路四明村、虹口海淪路名人街都是這樣做的，這好比在給歷史建筑戴假面具，不可思議。

(3)在各種墻體基面上通貼面磚是當今的時尚裝飾，這種做法不考慮建筑結構的具體部位，方式混亂，清水磚墻組砌方式有嚴謹的規則，要依據建筑結構部位不同，采用不同方式。

(4)在清水墻面上抹水泥砂漿涂紅粉，劃縫做假清水墻。

(5)用酸洗清水磚墻面上的老年斑，恢復建筑青春，這相當于當今"美容增白"，是在破壞墻面的顏容。清水磚墻建筑故舊滄桑、磚面變舊以及斑痕缺損正是建筑珍貴的歷史遺痕，是城市記憶的標志，作為舊房改造管理者要了解歷史，尊重先輩工匠的勞動成果，保護建筑原有歷史風貌，是大家共同的責任和義務。

（摘自：《建筑工人》）

Analysis on Shear Lag of Curved Wide Box Girder

Differences between curved beam and straight bridge and the shear lag effect are introduced.The finite element software is adopted to analyze the mechanical behavior of curved wide box girder,and the stress distribution and the shear lag effect rules under self-weight are obtained.Through calculation,in a certain curvature radius,the shear lag effect of curved wide box girder under self weight and eccentric lane load is regularly distributed,its maximal value is generally 4,and the shear lag coefficient at outer support is larger than that at inner support.

curved wide box girder;mechanical behavior;shear lag effect;stress distribution;curved beam bridge;straight bridge;bending-torsional coupling

U448.21+3；TU31

A

1671-9107（2013）09-0041-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.09.041

2013-07-21

李成(1982-)，男，青海門源人，研究生，助理工程師，主要從事結構、巖土設計方面的工作。