預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)影響因素分析

黃文雄　鄭傳奇　王　鵬　葉　錚　劉　凱（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院）

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)影響因素分析

黃文雄鄭傳奇王鵬葉錚劉凱
（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院）

為研究預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的剪力滯效應(yīng)變化規(guī)律，選定典型結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱形梁，以Ansys有限元分析軟件為工具，采用分離式模型，建立了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁有限元模型，重點分析了預(yù)應(yīng)力大小、寬跨比、跨高比、集中荷載大小及內(nèi)承托長度變化等結(jié)構(gòu)參數(shù)對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明：集中荷載與均布荷載作用下箱梁剪力滯效應(yīng)分布趨勢基本相近，但集中荷載作用下剪力滯效應(yīng)更加顯著；寬跨比對箱梁頂板的剪力滯效應(yīng)影響最大；隨著跨高比的增大，頂板剪力滯系數(shù)減小，底板剪力滯系數(shù)緩慢增大；預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng)，加大底板剪力滯效應(yīng)；而集中荷載大小與箱梁空腔內(nèi)承托長度的改變對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響不大，可以忽略不計。

橋梁工程；剪力滯效應(yīng)；有限元分析；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；影響因素；結(jié)構(gòu)參數(shù)

“剪力滯效應(yīng)”是指翼緣較寬的箱型梁由于翼板中的剪切變形導(dǎo)致縱向正應(yīng)力沿翼板寬度呈不均勻分布，其間存在傳力的滯后現(xiàn)象。“剪力滯效應(yīng)”的存在將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［1-3］。

本文結(jié)合前人的研究成果，運用ANSYS有限元軟件對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)及其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出一些有意義的結(jié)論［4-6］。

1　箱梁有限元分析模型的建立與結(jié)果分析

1.1箱梁有限元分析模型的建立

基于實際工程中箱型梁橋典型結(jié)構(gòu)與尺寸的分析，箱梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，計算跨徑為30m，外荷載采用集中荷載，施加于箱梁腹板頂面。

基于ANSYS有限元分析軟件，采用精細(xì)化建模技術(shù)與參數(shù)化建模方法進(jìn)行建模［7～9］。模型采用分離式模型，采用切分法準(zhǔn)確確定預(yù)應(yīng)力筋的具體位置，預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加［10～12］。鋼筋混凝土采用SOLID65單元來模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元來模擬。箱梁基本尺寸與所建有限元模型如圖1所示。

對所建立的有限元模型施加集中荷載（P=40kN）并求解，得到箱梁跨中截面頂板及底板的剪力滯系數(shù)，如圖2所示。

由圖2可知：在集中荷載作用下，頂板的剪力滯效應(yīng)系數(shù)在腹板與頂板的交界處有最大值1.432，邊緣處的值最小為0.719，中點處的值為0.921；底板的剪力滯效應(yīng)系數(shù)在腹板與底板的交界處的值最大為1.099，中點處有最小值為0.906。箱梁截面剪力滯效應(yīng)明顯，且頂板的剪力滯效應(yīng)較底板更加顯著。

2　影響剪力滯效應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

影響剪力滯效應(yīng)的因素較多，本文主要分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：預(yù)應(yīng)力大小、寬跨比、跨高比、集中荷載大小及內(nèi)承托長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響。

圖1　箱梁基本尺寸與有限元模型分析示意圖（單位：cm）

圖2　箱梁跨中截面頂板、底板剪力滯系數(shù)分布圖

圖3　不同預(yù)應(yīng)力作用下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢

2.1預(yù)應(yīng)力大小對剪力滯系數(shù)的影響

分別設(shè)置預(yù)應(yīng)力大小為：0kN、2.5kN、5kN、7.5kN、12.5kN，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，研究跨中截面最大剪力滯系數(shù)。

由圖3可知：當(dāng)預(yù)應(yīng)力為0時，頂板剪力滯系數(shù)最大為1.434，底板剪力滯系數(shù)最小為1.099；隨著預(yù)應(yīng)力的增大，頂板的剪力滯系數(shù)大致呈線性減少，底板剪力滯系數(shù)越來越大，且其增大的速率越來越快。當(dāng)預(yù)應(yīng)力增大到12.5kN時，頂板剪力滯系數(shù)減小了約9.1%，底板剪力滯系數(shù)增大了約30.5%。故而，預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng)，加大底板剪力滯效應(yīng)；且對底板的剪力滯效應(yīng)影響要比頂板更明顯。

2.2寬跨比對剪力滯系數(shù)的影響

箱梁的計算跨徑為30m，考慮寬跨比（B/L）分別為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，研究簡支箱梁在豎向集中荷載作用下的跨中截面最大剪力滯系數(shù)。

1.2 跑步分享：跑者身份的展演 客我身份認(rèn)同不僅需要個體具有清晰的自我感，同時還需要獲得他者明確的信賴感。當(dāng)通過跑步運動消費形塑了陽光健康的身體形象和堅定勇敢的內(nèi)在品質(zhì)而獲得一種自我感之后，跑步運動分享又為這種“跑者”的身份和形象提供了一個展演的平臺，通過自媒體平臺傳播自我個性化圖景和感悟的“印象管理”方式，收獲他者的關(guān)注和肯定，在他者印象的鏡子中再次折射出自我的形象，從而使客我身份得到確證。

由圖4可知：隨著寬跨比的增大，無論底板還是頂板剪力滯效應(yīng)系數(shù)均大致呈線性增加，當(dāng)寬跨比由0.2變到0.8時，頂板的剪力滯系數(shù)增加了約82.3%，底板的剪力滯系數(shù)增加了約25.1%；而當(dāng)寬跨比為0.4時底板的剪力滯系數(shù)出現(xiàn)突變異常的原因，在于此時底板寬度基本處于“有效分布寬度”的分界點，也是剪力滯效應(yīng)發(fā)揮其作用的分界點。因此，寬跨比對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的剪力滯效應(yīng)影響很大，且頂板的剪力滯效應(yīng)變化要比底板的明顯。

圖4　不同寬跨比下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢

圖5　不同跨高比下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢

圖6　不同集中荷載大小作用下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢

2.3跨高比對剪力滯系數(shù)的影響

箱梁長度為30m，考慮跨高比（L/H）分別為12、10、8、6、4，研究箱梁跨中截面最大剪力滯系數(shù)。

由圖5可知：隨著跨高比的增大，頂板剪力滯系數(shù)逐漸減小，底板的剪力滯系數(shù)緩慢增大。當(dāng)跨高比由4增大到12時，頂板剪力滯系數(shù)減小了約27.8%，底板剪力滯系數(shù)增大了約5.1%。因此，跨高比對箱梁的剪力滯系數(shù)的影響較大，且頂板的剪力滯效應(yīng)的變化要比底板的明顯。

2.4集中荷載大小對剪力滯系數(shù)的影響

分別設(shè)置集中荷載大小為：10kN、15kN、20kN、25kN、30kN，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，研究箱梁跨中截面最大剪力滯系數(shù)。

由圖6可知：隨著集中荷載的增大，頂板剪力滯系數(shù)逐漸增大，底板的剪力滯系數(shù)逐漸減小，但其變化的趨勢越來越緩慢。當(dāng)集中荷載由10kN增大到30kN時，頂板剪力滯系數(shù)增大了約2.9%，底板剪力滯系數(shù)也增大了約2.9%。故而，集中荷載的大小對箱梁的剪力滯系數(shù)的影響較小。

2.5內(nèi)承托長度對剪力滯效應(yīng)的影響

圖7　不同內(nèi)承托長度時箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢

分別設(shè)置箱梁空腔內(nèi)承托尺寸為：400mm×300mm、600mm×300mm、800mm×300mm、1000mm×300mm、1200mm× 300mm、1400mm×300mm，求出各承托尺寸下頂板及底板最大剪力滯系數(shù)。

由圖7可知：箱梁頂板的剪力滯系數(shù)在1.440至1.445之間，底板的剪力滯系數(shù)在1.065到1.070之間，無論頂板還是底板的剪力滯系數(shù)變化均很小，基本保持不變。因此，箱梁空腔內(nèi)承托長度改變對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響可以忽略不計；同樣，改變箱梁空腔外承托尺寸對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響也很小。

3　結(jié)論

以典型的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱形梁為基礎(chǔ)，基于ANSYS有限元軟件及建立的精細(xì)化有限元分析模型，分析了預(yù)應(yīng)力大小、寬跨比、跨高比、集中荷載大小及內(nèi)承托長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響；通過分析，可以得出以下幾點結(jié)論：

⑴預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng)，加大底板剪力滯效應(yīng)；且對底板的剪力滯效應(yīng)影響要比頂板更明顯。

⑵寬跨比對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響最大；隨著寬跨比的增大，無論底板還是頂板剪力滯系數(shù)均大致呈線性增加，且頂板的剪力滯效應(yīng)變化要比底板的更加明顯。

⑶隨著跨高比的增大，頂板剪力滯系數(shù)減小，底板剪力滯系數(shù)緩慢增大，且頂板的剪力滯系數(shù)變化要比底板的明顯。

⑷集中荷載大小與箱梁空腔內(nèi)承托長度的變化箱梁剪力滯效應(yīng)有一定的影響，但影響不大。●

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