預(yù)應(yīng)力作用下混凝土曲線箱梁橋彎扭耦合作用分析

馬凱

摘 要：預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁在正常使用狀態(tài)下易發(fā)生“彎扭耦合”作用。本文以兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室曲線箱梁橋為研究對象，對預(yù)應(yīng)力作用下曲線梁的扭轉(zhuǎn)性能進行有限元仿真分析，并給出混凝土曲線箱梁橋在預(yù)應(yīng)力作用下的變形及截面應(yīng)力分布特征。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力作用；混凝土曲線箱梁橋；彎扭耦合；有限元分析

引 言

近年來關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋使用病害的相關(guān)報道不斷出現(xiàn)，這是因為預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁在正常使用狀態(tài)下，易發(fā)生“彎扭耦合”作用，即同時產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，從而導(dǎo)致橡膠支座剪切變形過大、上部結(jié)構(gòu)外移外翻、內(nèi)側(cè)支座脫空以及蓋梁或固結(jié)墩裂縫等現(xiàn)象發(fā)生[1～4]。

針對預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁的受力特點，本文應(yīng)用有限元程序ADINA，對預(yù)應(yīng)力效應(yīng)影響下的混凝土曲線箱梁橋的扭轉(zhuǎn)性能進行分析，并給出預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋在“彎扭耦合”狀態(tài)下的變形及截面應(yīng)力分布。

1 工程概況

本文依托工程為兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室曲線箱梁橋，跨徑布置為2×6000mm，梁高470mm，箱梁總體布置以及主要斷面形式如圖1和圖2所示。其中，曲線梁靠近圓心的一側(cè)稱為“內(nèi)側(cè)”，遠離圓心的一側(cè)稱為“外側(cè)”。箱梁共設(shè)置6根預(yù)應(yīng)力束，并對稱布置于箱梁兩腹板內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼束采用兩端對稱張拉。

2 有限元仿真分析模型

本文采用大型通用有限元軟件ADINA對依托工程進行有限元仿真模擬，有限元模型如圖3所示。其中，混凝土采用3-DSolid三維等參實體單元模擬；預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋采用TRUSS桁架單元進行模擬，并采用約束方程與周圍混凝土單元進行連接。

3 有限元結(jié)果分析

圖4給出了預(yù)應(yīng)力作用下，曲線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋各控制截面（曲線梁跨中截面、1/4截面以及1/8截面）位移沿橫橋向的分布情況。其中，規(guī)定曲線梁底（頂）板寬度方向以其最外側(cè)為坐標原點，從外側(cè)至內(nèi)側(cè)坐標依次增大。可見，各控制截面底板外側(cè)上拱值均大于內(nèi)側(cè)上拱值，因此，在預(yù)應(yīng)力作用下，混凝土曲線箱梁橋產(chǎn)生外翻現(xiàn)象。

圖5～圖8給出了預(yù)應(yīng)力作用下，跨中及1/4截面頂?shù)装宓捻槝蛳蛘龖?yīng)力沿曲線箱梁橫橋向的分布情況。其中應(yīng)力符號壓為“+”；拉為“-”。可見，箱梁截面頂?shù)装屙槝蛳蛘龖?yīng)力沿橫橋向的分布不均勻，截面剪力滯現(xiàn)象顯著。箱梁各控制截面頂?shù)装鍍?nèi)、外側(cè)其順橋向正應(yīng)力差別較大，且均為內(nèi)側(cè)順橋向正應(yīng)力大于外側(cè)，截面存在明顯的翹曲現(xiàn)象。其中，跨中截面頂板內(nèi)、外側(cè)順橋向正應(yīng)力最大相差51.5%，底板內(nèi)、外側(cè)順橋向正應(yīng)力最大相差16.2%；1/4截面頂板內(nèi)、外側(cè)順橋向正應(yīng)力最大相差15.4%，底板內(nèi)、外側(cè)順橋向正應(yīng)力最大相差11.1%。

圖9和圖10給出了預(yù)應(yīng)力作用下，曲線梁跨中截面和1/4截面其腹板順橋向正應(yīng)力沿高度的分布情況。可見，曲線梁跨中截面和1/4截面其內(nèi)、外腹板順橋向正應(yīng)力均為壓，但預(yù)應(yīng)力作用下曲線梁外翻的趨勢產(chǎn)生向外的扭矩，因此內(nèi)側(cè)腹板順橋向正應(yīng)力絕對值均大于外側(cè)腹板的順橋向正應(yīng)力絕對值。

圖11～圖14給出了預(yù)應(yīng)力作用下，跨中和1/4截面頂、底板剪應(yīng)力沿曲線梁橫橋向的分布情況，圖15和圖16給出了預(yù)應(yīng)力作用下，跨中和1/4截面腹板剪應(yīng)力沿曲線梁高度方向的分布情況。可見，預(yù)應(yīng)力作用對混凝土曲線箱梁橋截面剪應(yīng)力的分布影響不大，各控制截面頂板、底板以及腹板的剪應(yīng)力基本上關(guān)于其對稱軸呈對稱分布。

4 結(jié) 論

本文采用有限元軟件ADINA，對預(yù)應(yīng)力作用下混凝土曲線箱梁橋的扭轉(zhuǎn)性能進行分析，主要結(jié)論如下：

（1）曲線梁各控制截面底板外側(cè)上拱值均大于內(nèi)側(cè)上拱值，曲線梁產(chǎn)生外翻現(xiàn)象。

（2）箱梁截面頂?shù)装屙槝蛳蛘龖?yīng)力沿橫橋向的分布不均勻，截面剪力滯現(xiàn)象顯著；箱梁各控制截面頂?shù)装鍍?nèi)、外側(cè)其順橋向正應(yīng)力差別較大，且均為內(nèi)側(cè)順橋向正應(yīng)力大于外側(cè)，截面存在明顯的翹曲現(xiàn)象，并且以頂板跨中截面的翹曲現(xiàn)象最為顯著，其內(nèi)、外側(cè)順橋向正應(yīng)力最大相差51.5%。

（3）由于曲線梁外翻趨勢所產(chǎn)生得向外扭矩，其內(nèi)側(cè)腹板順橋向正應(yīng)力絕對值大于外側(cè)腹板的順橋向正應(yīng)力絕對值。

（4）預(yù)應(yīng)力作用對混凝土曲線箱梁橋截面剪應(yīng)力的分布影響不大，各控制截面頂板、底板以及腹板的剪應(yīng)力基本上關(guān)于其對稱軸呈對稱分布。

參考文獻

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