預應力混凝土箱梁剪力滯效應影響因素分析

黃文雄　鄭傳奇　王　鵬　葉　錚　劉　凱（長江大學城市建設學院）

預應力混凝土箱梁剪力滯效應影響因素分析

黃文雄鄭傳奇王鵬葉錚劉凱
（長江大學城市建設學院）

為研究預應力混凝土箱梁的剪力滯效應變化規律，選定典型結構的預應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，建立了預應力混凝土箱梁有限元模型，重點分析了預應力大小、寬跨比、跨高比、集中荷載大小及內承托長度變化等結構參數對箱梁剪力滯效應的影響。分析結果表明：集中荷載與均布荷載作用下箱梁剪力滯效應分布趨勢基本相近，但集中荷載作用下剪力滯效應更加顯著；寬跨比對箱梁頂板的剪力滯效應影響最大；隨著跨高比的增大，頂板剪力滯系數減小，底板剪力滯系數緩慢增大；預應力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應，加大底板剪力滯效應；而集中荷載大小與箱梁空腔內承托長度的改變對箱梁剪力滯效應的影響不大，可以忽略不計。

橋梁工程；剪力滯效應；有限元分析；預應力混凝土箱梁；影響因素；結構參數

“剪力滯效應”是指翼緣較寬的箱型梁由于翼板中的剪切變形導致縱向正應力沿翼板寬度呈不均勻分布，其間存在傳力的滯后現象。“剪力滯效應”的存在將會使混凝土箱梁局部位置產生應力集中，甚至開裂；若忽略剪力滯的影響，就會低估箱梁結構實際產生的應力，從而造成結構的不安全［1-3］。

本文結合前人的研究成果，運用ANSYS有限元軟件對預應力混凝土箱梁剪力滯效應及其影響因素進行了詳細分析，得出一些有意義的結論［4-6］。

1　箱梁有限元分析模型的建立與結果分析

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構與尺寸的分析，箱梁采用預應力混凝土簡支梁，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，采用精細化建模技術與參數化建模方法進行建模［7～9］。模型采用分離式模型，采用切分法準確確定預應力筋的具體位置，預應力采用降溫法施加［10～12］。鋼筋混凝土采用SOLID65單元來模擬，預應力鋼筋采用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，如圖2所示。

由圖2可知：在集中荷載作用下，頂板的剪力滯效應系數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；底板的剪力滯效應系數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明顯，且頂板的剪力滯效應較底板更加顯著。

2　影響剪力滯效應的結構參數分析

影響剪力滯效應的因素較多，本文主要分析的結構參數為：預應力大小、寬跨比、跨高比、集中荷載大小及內承托長度等結構參數對箱梁剪力滯效應的影響。

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、底板剪力滯系數分布圖

圖3　不同預應力作用下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數變化趨勢

2.1預應力大小對剪力滯系數的影響

分別設置預應力大小為：0kN、2.5kN、5kN、7.5kN、12.5kN，保持其他結構參數不變，研究跨中截面最大剪力滯系數。

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

2.2寬跨比對剪力滯系數的影響

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。

1.2 跑步分享：跑者身份的展演 客我身份認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在品質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系數均大致呈線性增加，當寬跨比由0.2變到0.8時，頂板的剪力滯系數增加了約82.3%，底板的剪力滯系數增加了約25.1%；而當寬跨比為0.4時底板的剪力滯系數出現突變異常的原因，在于此時底板寬度基本處于“有效分布寬度”的分界點，也是剪力滯效應發揮其作用的分界點。因此，寬跨比對預應力混凝土箱梁的剪力滯效應影響很大，且頂板的剪力滯效應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變化趨勢

2.3跨高比對剪力滯系數的影響

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。

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

2.4集中荷載大小對剪力滯系數的影響

分別設置集中荷載大小為：10kN、15kN、20kN、25kN、30kN，保持其他結構參數不變，研究箱梁跨中截面最大剪力滯系數。

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

2.5內承托長度對剪力滯效應的影響

圖7　不同內承托長度時箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數變化趨勢

分別設置箱梁空腔內承托尺寸為：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。

由圖7可知：箱梁頂板的剪力滯系數在1.440至1.445之間，底板的剪力滯系數在1.065到1.070之間，無論頂板還是底板的剪力滯系數變化均很小，基本保持不變。因此，箱梁空腔內承托長度改變對箱梁剪力滯效應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的影響也很小。

3　結論

以典型的預應力混凝土簡支箱形梁為基礎，基于ANSYS有限元軟件及建立的精細化有限元分析模型，分析了預應力大小、寬跨比、跨高比、集中荷載大小及內承托長度等結構參數對箱梁剪力滯效應的影響；通過分析，可以得出以下幾點結論：

⑴預應力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應，加大底板剪力滯效應；且對底板的剪力滯效應影響要比頂板更明顯。

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

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

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

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