大跨徑連續(xù)剛構橋箱梁剪力滯效應分析

付小煩 趙鵬磊

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

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大跨徑連續(xù)剛構橋箱梁剪力滯效應分析

付小煩 趙鵬磊

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

采用實體有限元軟件Midas FEA建立了全橋模型，從不同加載位置的車輛荷載、自重、二期均布荷載等方面，分析了大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋箱梁的剪力滯效應，總結了其分布規(guī)律，以供類似橋梁設計參考。

連續(xù)剛構橋，剪力滯效應，車輛荷載，箱梁

1 工程概況

廣樂高速公路是廣東省在“十一五”跨“十二五”期間規(guī)劃實施的重點項目之一，項目主線長約270 km，連接線約32 km，合計總長302 km。主線擴建路段為八車道，新建路段為六車道。全線橋梁總長70 km/226座，隧道總長36 km/28座，橋隧合計總長106 km，橋隧比例35%。路基寬度34.5 m，單幅橋?qū)掃_16.75 m。韶關段內(nèi)的A1合同段設有多座大跨徑連續(xù)剛構橋梁，這些橋梁規(guī)模較大，為該標段的控制性工程。為了簡化橋梁結構，降低造價，方便施工，所有連續(xù)剛構橋主梁均采用單箱單室箱梁。箱梁的懸臂較大，腹板間的間距也較大，箱梁的剪力滯效應較明顯，研究該項目中箱梁的剪力滯效應，對保證結構安全經(jīng)濟十分重要。

2 箱梁剪力滯效應

箱形截面梁屬于空間結構，其受力特性呈空間上的變化。在偏心荷載作用下，縱向彎曲產(chǎn)生豎向變位，而在橫截面上引起縱向正應力及剪應力。對于箱形截面梁，由于翼板中剪力滯后的影響，其應力將會呈不均勻分布，即近肋處翼板中產(chǎn)生應力高峰，而遠離肋板處則產(chǎn)生應力低谷，這種現(xiàn)象稱為“剪力滯后”，簡稱剪力滯效應。在大跨度預應力混凝土橋梁中所采用的寬箱梁，腹板間的間距較大，兩側(cè)懸臂也較大，剪力滯效應比較明顯。初等梁理論不能適用于該類橋梁的翼板受力分析。

試驗和理論都證實，寬箱梁存在剪力滯后現(xiàn)象，其最大正應力值一般大于按初等梁理論計算的平均值，在實際應用中采用剪力滯系數(shù)λ進行描述，即：

3 有限元計算模型

本文以白土北江特大橋為例，對箱梁的剪力滯效應進行分析。該橋主橋上部構造為(100+180+100)m三跨預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁，箱梁橫斷面采用單箱單室，根部梁高11.4 m，跨中梁高3.7 m，頂板厚0.28 m，底板厚從跨中至根部由0.32 m變化為1.20 m，腹板從跨中至箱梁根部分三段采用0.45 m，0.7 m，0.9 m三種厚度，箱梁高度和底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁頂板橫向凈寬16.75 m，底板寬8.0 m，翼緣懸臂長4.375 m。橋梁總體布置圖見圖1，箱梁標準橫斷面圖見圖2。

采用有限元軟件Midas FEA建立全橋?qū)嶓w模型，對空間網(wǎng)格進行劃分，生成以六面體為主導的網(wǎng)格單元，不規(guī)則的部位以五面體金字塔型網(wǎng)格為過渡。整個有限元模型共分為131 474個單元。

為了分析車輛荷載加載位置對箱梁剪力滯效應的影響，本文選取JTG D60—2004公路橋涵設計通用規(guī)范中規(guī)定的車輛荷載。車輛荷載縱向按照三種位置分別加載在箱梁上，即車輛重軸依次布置在：1)中跨跨中；2)主墩墩頂；3)邊跨跨中。車輛荷載橫向按照兩種加載方式，如圖3所示。

4 剪力滯效應分析

4.1 車輛荷載作用下墩頂處剪力滯系數(shù)分布

為分析車輛荷載作用位置對箱梁剪力滯效應的影響規(guī)律，縱向分別按車輛荷載作用在中跨跨中及邊跨跨中，橫向分別按工況A、工況B進行加載，繪制墩頂處頂板的剪力滯系數(shù)λ的分布圖，見圖4，圖5。圖中，橫坐標為距離箱梁頂?shù)装逡粋?cè)的距離，縱坐標為箱梁剪力滯系數(shù)。從圖中可以看出，車輛荷載作用的橫向位置對箱梁的剪力滯系數(shù)影響不大，車輛荷載作用在中跨跨中時墩頂處箱梁頂板產(chǎn)生正剪力滯效應，車輛荷載作用在邊跨跨中時，墩頂處箱梁頂板產(chǎn)生負剪力滯效應。

4.2 二期均布荷載作用下，箱梁剪力滯效應

為分析二期均布荷載作用下，箱梁剪力滯效應的分布規(guī)律，在實體單元模型中施加均布的面壓力荷載，選取中跨跨中，中跨L/4處及墩頂位置的箱梁截面，提取相應截面的正應力與桿系模型中的應力進行對比，繪制剪力滯系數(shù)分布圖，見圖6，圖7。圖中，橫坐標為距離箱梁頂?shù)装逡粋?cè)的距離，縱坐標為箱梁剪力滯系數(shù)。從圖中可以看出，均布荷載作用下，箱梁剪力滯效應在跨中的位置不大，靠近墩頂處的效應較大。

4.3 自重作用下，箱梁剪力滯效應

為了分析箱梁在自重作用下箱梁剪力滯效應，選取中跨跨中截面及墩頂截面，分別求出箱梁頂板及底板的剪力滯系數(shù)，繪制剪力滯系數(shù)分布圖，見圖8，圖9。圖中，橫坐標為距離箱梁頂?shù)装逡粋?cè)的距離，縱坐標為箱梁剪力滯系數(shù)。從圖中可以看出，在自重作用下，中跨跨中的剪力滯效應不是很明顯，墩頂頂板的剪力滯效應較明顯。由于連續(xù)剛構為墩梁固結體系，受橋墩的影響，在墩頂處，箱梁底板的剪力滯效應也不是很明顯。

4.4 規(guī)范中的有效寬度法

在實際的工程設計中，如果按照精確的剪力滯計算公式或空間的有限元來分析結構的截面應力，工作量較大，應用不便。因此，現(xiàn)行JTG—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范給出了偏安全的實用計算方法，即翼緣有效寬度法，具體操作步驟是先根據(jù)平面桿系結構理論計算箱梁一個截面的內(nèi)力，然后再對不同位置的箱形截面用不同的有效寬度折減系數(shù)將翼緣的寬度進行折減，最后根據(jù)折減后的截面尺寸進行應力驗算及截面配筋。

按初等梁理論公式計算的應力與其實際應力峰值接近相等的那個翼緣折算寬度，稱為有效寬度，我國現(xiàn)行規(guī)范對于箱梁截面梁在腹板兩側(cè)上、下翼緣的有效寬度計算方法做出了規(guī)定，按規(guī)范中計算方法，計算出白土北江特大橋跨中翼緣：

bi/li=4.375/(0.6×180)=0.041。

根據(jù)規(guī)范中的ρs，ρf曲線圖，查得跨中翼緣有效寬度計算系數(shù)ρf=1。即中跨跨中處為全截面受力，不考慮箱梁剪力滯效應。

墩頂處翼緣：

bi/li=4.375/[0.2×(180+100)]=0.041。

根據(jù)規(guī)范中的ρs，ρf曲線圖，查得墩頂處翼緣有效寬度計算系數(shù)ρf=0.8。即墩頂處需要考慮箱梁剪力滯效應。

根據(jù)以上有效寬度法計算墩頂處頂板的應力，與實體模型及按初等梁理論計算出的結果對比，列出對比表如表1所示。

表1 墩頂頂板應力對比表 MPa

從表1中可以看出，車輛荷載作用在中跨跨中及均布荷載作用下，有效寬度法計算出的應力比實體模型計算出的應力要小，有效寬度法在本橋梁計算中是偏不安全的。

5 結語

本文通過建立實體有限元模型，計算了連續(xù)剛構橋主梁在不同位置的車輛荷載，均布荷載及自重作用下的截面正應力，分析箱梁截面剪力滯效應的分布規(guī)律，得出如下結論：

1) 計算結果表明，大跨徑連續(xù)剛構橋梁在跨中處的剪力滯效應不是很明顯，在墩頂處的剪力滯效應較明顯，特別是墩頂處箱梁頂板的應力集中現(xiàn)象較明顯，設計時應特別注意增加這些位置的應力安全儲備，并適當增加配筋。2) 車輛荷載橫向的作用位置對箱梁的剪力滯效應影響不大，縱向作用位置影響較大，作用在中跨跨中和邊跨跨中分別產(chǎn)生正剪力滯效應和負剪力滯效應。自重及二期恒載的剪力滯效應不是很明顯。3) 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中的箱梁截面翼緣有效寬度計算的結果與實體有限元模型計算的結果對比，兩者計算出的箱梁剪力滯效應分布規(guī)律大致相當。但在部分工況下，有效分布寬度法計算出的應力比實體模型計算出的應力要小，偏不安全，在設計中需引起重視。

[1] 范立礎，徐光輝.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 邵旭東，顧安邦.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] JTG D60—2004,公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[4] JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[5] 趙云安，王 炎.車輛荷載作用下連續(xù)箱梁橋剪力滯效應分析[J].鐵道建筑，2013(2)：132-133.

[6] 張海濤，史慶春.混凝土箱梁截面剪力滯效應和偏載效應分析[J].北方交通，2014(11)：87-88.

On shearing force lag of large-span continuous rigid box girder

Fu Xiaofan Zhao Penglei

(CCCCSecondRoadSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan430056,China)

The paper adopts the solid finite element, Midas FEA, to establish the whole bridge model, analyzes the shearing force lag effect of the large-span continuous rigid box girder from the vehicle loading capacity of various loading positions, gravity, and second-phase uniform distributed load, and sums its distribution law, so as to provide some reference for similar bridges.

continuous rigid bridge, shearing contact effect, vehicle load, box girder

1009-6825(2016)24-0169-03

2016-06-19

付小煩(1984- )，男，工程師

U448.23

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