黃文雄，楊柳，王鵬，龔倩倩　(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

譚利英　(荊州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 荊州 434000)

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預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度分析

黃文雄，楊柳，王鵬，龔倩倩(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

譚利英(荊州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 荊州 434000)

[摘要]為研究預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)在縱向梁長方向上的影響長度，采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立有限元分析模型，討論了剪力滯系數(shù)沿梁縱向分布規(guī)律，重點(diǎn)分析了寬跨比、跨高比、預(yù)應(yīng)力大小以及集中荷載等參數(shù)對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的影響。研究結(jié)果表明，無論箱梁頂板還是底板，其剪力滯系數(shù)最大值均在荷載施加的截面，遠(yuǎn)離荷載施加的截面最大剪力滯系數(shù)迅速減小。荷載引起的剪力滯效應(yīng)縱向影響長度較小，僅在荷載施加位置附近影響較大。隨著寬跨比增大，箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度均越來越明顯，且越來越劇烈；跨高比的改變對箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響較為劇烈，但其給箱梁造成的縱向影響不太明顯。 預(yù)應(yīng)力以及集中荷載的改變對箱梁剪力滯效應(yīng)影響較小，對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的改變程度也較微弱。

[關(guān)鍵詞]橋梁工程；剪力滯效應(yīng)；有限元分析；預(yù)應(yīng)力；箱梁

箱形梁以其自身眾多優(yōu)點(diǎn)不斷地運(yùn)用于各種大型橋梁中，隨著箱梁的跨徑及截面尺寸不斷的加大，導(dǎo)致剪力滯效應(yīng)越來越明顯。“剪力滯效應(yīng)”的存在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(shí)際產(chǎn)生的應(yīng)力，從而造成結(jié)構(gòu)的不安全。國內(nèi)外專家學(xué)者對剪力滯效應(yīng)有較多的研究：牛斌等對預(yù)應(yīng)力混凝土寬箱梁剪力滯效應(yīng)試驗(yàn)研究，分析了荷載形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響[1]；吳亞平等重點(diǎn)分析了荷載橫向變位下箱梁頂板與底板的剪力滯效應(yīng)[2]；孫學(xué)先等研究了箱梁幾何參數(shù)對剪力滯效應(yīng)影響[3]；藺鵬臻等人研究了翼板厚度變化對箱梁剪力滯效應(yīng)的影響[4]。這些研究主要通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)求得箱梁典型截面最大剪力滯系數(shù)，但忽略了該最大剪力滯系數(shù)沿箱梁縱向會有不同程度的降低。對于這種降低程度以及范圍，目前少有詳細(xì)的分析研究?？紤]到工程實(shí)踐要具有安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，因此有必要對此進(jìn)行具體詳細(xì)的分析，以提高工程整體質(zhì)量[5～7]。下面，筆者為分析箱梁典型截面最大剪力滯效應(yīng)附近各截面最大剪力滯分布情況，運(yùn)用大型通用有限元分析軟件ANSYS，以簡支箱梁為例，以集中荷載為外荷載施加對象[8,9]，著重分析箱梁跨中截面附近處各典型截面最大剪力滯效應(yīng)，以探明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)沿箱梁縱向分布規(guī)律，并重點(diǎn)分析了常見結(jié)構(gòu)參數(shù)[10,11]的改變對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的改變程度，以更好的服務(wù)于工程實(shí)際。

1空間有限元分析模型的建立

1.1混凝土箱梁分析模型

筆者以有限元分析軟件ANSYS為平臺，建立參數(shù)化預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁簡支梁橋模型，模型長度為30m，有限元分析模型如圖1所示。

圖1　計(jì)算跨徑為30m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁模型

1.2荷載作用形式

分析的箱梁模型為簡支梁結(jié)構(gòu)，外荷載以集中荷載作用形式施加。簡支梁跨中截面彎矩最大，得到的剪力滯效應(yīng)最為明顯，因此，荷載分別施加到箱梁跨中截面腹板與頂板交界處的頂板上，具體施加情況如圖2所示。

1.3模型梁的計(jì)算結(jié)果分析

按照上述荷載形式施加一定大小的荷載，求解得到箱梁縱向正應(yīng)力云圖，如圖3所示。運(yùn)用有限元后處理手段提取所需要截面的各位置的應(yīng)力(僅示跨中截面)，如圖4和圖5所示，進(jìn)一步分析計(jì)算得出最大剪力滯系數(shù)。

圖2　分析模型的荷載作用形式

圖3　分析模型的縱向正應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　圖4　分析模型跨中截面縱向正應(yīng)力云圖

通過對圖5的數(shù)據(jù)整理分析，得到該截面頂板的剪力滯系數(shù)分布圖，如圖6所示。由圖6可知，該截面最大剪力滯系數(shù)位于頂板與腹板交界處，最大值為1.426，最小值位于頂板邊緣，為0.732。

1.4剪力滯系數(shù)沿梁縱向分布規(guī)律

基于上述結(jié)果，沿梁縱向長度方向每間隔1m提取該截面剪力滯系數(shù)，將各截面最大剪力滯系數(shù)匯總，即可得到剪力滯系數(shù)沿梁縱向分布規(guī)律，圖7為分析模型各截面頂板最大剪力滯系數(shù)分布圖，圖8為分析模型各截面底板最大剪力滯系數(shù)分布圖。

由圖7、圖8可知，無論箱梁頂板還是底板，其剪力滯系數(shù)最大值均在荷載施加的截面，頂板最大值為1.426，底板最大值為1.103。遠(yuǎn)離荷載施加的截面，最大剪力滯系數(shù)迅速減小，離荷載施加截面約1m的距離，最大剪力滯系數(shù)減小到1.07左右，減小約25.1%，該截面剪力滯效應(yīng)已經(jīng)相對比較微弱。另外，圖7、圖8在支座附近剪力滯系數(shù)有所增加，但是，由于簡支梁支座附近彎矩較小，研究剪力滯效應(yīng)意義不大。因此，荷載引起的剪力滯效應(yīng)縱向影響長度較小，僅在荷載施加位置附近影響較為明顯。

圖5　分析模型跨中截面頂板縱向正應(yīng)力圖　　　　　　　　　圖6　分析模型跨中截面頂板剪力滯系數(shù)分布

圖7　箱梁各典型截面頂板最大剪力滯系數(shù)分布　　　　　　圖8　箱梁各典型截面底板最大剪力滯系數(shù)分布

2剪力滯效應(yīng)縱向影響長度分析

筆者主要研究集中荷載作用下箱梁的剪力滯效應(yīng)，為探明剪力滯效應(yīng)縱向影響長度，均取各截面頂板及底板最大剪力滯系數(shù)為代表值，研究剪力滯系數(shù)最大值的縱向分布規(guī)律，將重點(diǎn)分析荷載施加位置(即跨中截面)附近的最大剪力滯系數(shù)變化情況，通過改變寬跨比、跨高比、預(yù)應(yīng)力大小和集中荷載大小等常見參數(shù)，以探明剪力滯效應(yīng)沿箱梁縱向變化情況。

2.1寬跨比

保持箱梁長度30m不變，通過改變箱梁寬度，使箱梁寬跨比分別為0.2、0.4、0.6，保持其他參數(shù)不變，研究寬跨比的改變對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的影響。圖9、圖10分別為各寬跨比下的頂板及底板最大剪力滯系數(shù)變化圖。

圖9　各寬跨比下頂板最大剪力滯系數(shù)沿梁長方向變化　　　　圖10　各寬跨比下底板最大剪力滯系數(shù)沿梁長方向變化

由圖9、圖10可知，隨著寬跨比的增大，無論是箱梁的頂板還是底板，同一截面處的剪力滯系數(shù)都隨之增大。當(dāng)寬跨比由0.2增大到0.6時,箱梁頂板跨中截面剪力滯系數(shù)由1.16增大到1.78,增大了53.44%。在頂板跨中截面約1m范圍內(nèi)剪力滯系數(shù)變化較快，圖9中曲線較為陡峭，1m范圍以外剪力滯系數(shù)變化較慢，曲線較為平坦。當(dāng)寬跨比為0.2時，在距離荷載施加截面約0.4m時剪力滯效應(yīng)就已經(jīng)不太明顯，當(dāng)寬跨比為0.4時，距離荷載施加截面約1.2m時剪力滯效應(yīng)不太明顯,而寬跨比為0.6時，距離荷載施加截面約2.4m時剪力滯效應(yīng)依然比較明顯。隨著寬跨比的增大，底板各截面處剪力滯系數(shù)均增大，剪力滯效應(yīng)越來越明顯，縱向影響范圍越來越長。因此，隨著寬跨比增大，箱梁頂板及底板剪力滯效應(yīng)縱向影響均越來越明顯。

2.2跨高比

保持箱梁長度為30m，分別設(shè)置梁高為2.5、3.75、7.5m，即考慮跨高比分別為12、8、4，研究跨高比的改變對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的影響。圖11、圖12分別為各跨高比下的頂板及底板最大剪力滯系數(shù)變化圖。

圖11　各跨高比下頂板最大剪力滯系數(shù)沿梁長方向變化　　　　圖12　各跨高比下底板最大剪力滯系數(shù)沿梁長方向變化

由圖11、圖12可知，對于箱梁頂板，隨著跨高比的增大，跨中截面剪力滯系數(shù)越來越小，跨高比由4增大到12，剪力滯系數(shù)由1.84減小到1.33，減小了27.71%。在距離跨中截面約0.8m范圍內(nèi)，剪力滯效應(yīng)變化較快，隨后均變化緩慢。無論跨高比多大，剪力滯后效應(yīng)均在距離跨中截面0.8m處變的比較微弱，跨高比的改變對箱梁頂板剪力滯效應(yīng)縱向影響不太明顯。對于箱梁底板，隨著跨高比的增大，跨中截面剪力滯系數(shù)越來越大，由1.06增大到1.11，相對比較微弱，但跨高比越小，剪力滯效應(yīng)在縱向梁長方向變化越慢?？绺弑仍叫】缰薪孛婕袅禂?shù)也較小，但遠(yuǎn)離跨中截面一段距離以后，反而較大，其縱向影響長度也較大。

2.3預(yù)應(yīng)力大小

分別設(shè)置預(yù)應(yīng)力大小為2.5、5、7.5kN，保持其他參數(shù)不變，研究預(yù)應(yīng)力大小的改變對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的影響。圖13、圖14分別為不同預(yù)應(yīng)力作用下頂板及底板各截面最大剪力滯系數(shù)變化圖。

由圖13可知，改變預(yù)應(yīng)力大小對箱梁頂板跨中截面剪力滯效應(yīng)的影響較微弱，變化量在4.4%以內(nèi)，其縱向影響長度也大致相同，均在距離跨中截面約0.8m處變的比較微弱，因此，預(yù)應(yīng)力對箱梁頂板剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的改變程度較小。由圖14可知，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，底板各截面處剪力滯系數(shù)均增大，剪力滯效應(yīng)越來越明顯，但均在距離跨中截面約2.4m處影響較小，因此，預(yù)應(yīng)力對箱梁底板剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的改變程度較小。

圖13　　　　不同預(yù)應(yīng)力下頂板最大剪力滯系數(shù)沿梁　　　　　　　圖14　　　　不同預(yù)應(yīng)力下底板最大剪力滯系數(shù)沿梁　　　長方向變化　　　長方向變化

2.4集中荷載大小

分別設(shè)置集中荷載大小為10、20、30kN，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，研究集中荷載大小的改變對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的影響。圖15、圖16分別為不同集中荷載作用下頂板及底板各截面最大剪力滯系數(shù)變化圖。

圖15　　　　不同集中荷在下頂板最大剪力滯系數(shù)沿梁　　　　　　圖16　　　　不同集中荷在下底板最大剪力滯系數(shù)沿梁　　　長方向變化　　　長方向變化

由圖15可知，集中荷載由10kN增大到30kN跨中截面剪力滯效應(yīng)由1.37增大到1.41,增大了2.9%，距離跨中截面0.8m處剪力滯效應(yīng)均變的較弱，且變化速率變得緩慢。由圖16可知，集中荷載由10kN增大到30kN跨中截面剪力滯效應(yīng)由1.14減小到1.11，變化量在3%以內(nèi)。距離跨中截面0.4m以外，3種情況下的剪力滯系數(shù)均大致處于同一直線上，變化較為微弱。因此集中荷載的改變對箱梁頂板以及底板的剪力滯效應(yīng)影響較小，對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的改變程度也較小。

3結(jié)論

通過有限元分析軟件ANSYS對箱梁模型的分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)無論箱梁頂板還是底板，其剪力滯系數(shù)最大值均在荷載施加的截面，遠(yuǎn)離荷載施加的截面最大剪力滯系數(shù)迅速減小。在支座附近剪力滯系數(shù)有所增加，但考慮到簡支梁支座附近彎矩較小，研究剪力滯效應(yīng)意義不大。荷載引起的剪力滯效應(yīng)縱向影響長度較小，僅在荷載施加位置附近影響較為強(qiáng)烈。

2)隨著寬跨比增大，箱梁頂板及底板剪力滯效應(yīng)縱向影響均越來越明顯，且越來越劇烈，在工程實(shí)際中應(yīng)適當(dāng)降低寬跨比以降低寬跨比造成的剪力滯效應(yīng)給橋梁帶來的不利影響。

3)跨高比的改變對箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響較為明顯，但其給箱梁造成的縱向影響不太明顯；對于箱梁底板，隨著跨高比的增大，其縱向影響長度較大，但剪力滯效應(yīng)均較小。

4)預(yù)應(yīng)力對箱梁底板剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的改變程度較小。

5)集中荷載的改變對箱梁頂板以及底板的剪力滯效應(yīng)影響較小，對箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度的改變程度也較小。

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[編輯]計(jì)飛翔

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0033-06

[中圖分類號]U398.9

[作者簡介]黃文雄(1980-)，男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事現(xiàn)代橋式及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方面的教學(xué)與研究工作;E-mail:84583318@qq.com。

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408057);國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(104892014002)。

[收稿日期]2015-11-28

[引著格式]黃文雄，楊柳，王鵬，等.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)縱向影響長度分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(4)：33～38.