安平和，時(shí)元緒，鄔曉光，肖凱龍

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

近幾十年來，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者致力于剪力滯效應(yīng)的研究，主要集中在理論解析、數(shù)值分析、試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约坝行Х植紝挾鹊难芯可希覍?duì)于箱梁研究較多[1-2]，對(duì)于裝配式寬幅連續(xù)T梁研究較少。其中，文獻(xiàn)[3-4]提出結(jié)合基于剪切變形規(guī)律的剪力滯翹曲位移函數(shù)和翼板變厚度的箱梁剪力滯效應(yīng)分析方法。文獻(xiàn)[5-6]先后提出了分析箱形梁剪力滯效應(yīng)的有限元法。文獻(xiàn)[7-9]進(jìn)行了薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)分析。文獻(xiàn)[10-12]為了研究預(yù)應(yīng)力對(duì)箱梁橋剪力滯效應(yīng)的影響，通過實(shí)體有限元、試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[13-14] 發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束的彎起角是影響剪力滯系數(shù)的主要因素，但是能否抵消剪力滯效應(yīng)沒有具體結(jié)論。文獻(xiàn)[15]發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)箱梁底板應(yīng)力影響較為明顯，而對(duì)頂板沒有影響。

但是目前關(guān)于裝配式寬幅連續(xù)T梁剪力滯效應(yīng)突出位置的研究較少，另外針對(duì)普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)剪力滯效應(yīng)影響的研究也不充分。本文針對(duì)這2部分研究不足建立實(shí)體有限元模型，并通過理論分析，深入研究剪力滯效應(yīng)突出位置和普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束的配置是否能抵消剪力滯效應(yīng)。

1 裝配式寬幅連續(xù)T梁剪力滯效應(yīng)分布特點(diǎn)

四跨一聯(lián)的裝配式T梁橋在我國(guó)應(yīng)用廣泛。為了使本文分析具有代表性，現(xiàn)取四跨一聯(lián)裝配式寬幅連續(xù)T梁橋，寬跨比為0.75，主梁跨徑為4×20 m，每片主梁寬2.4 m，高為1.5 m，每跨設(shè)置4道橫隔板。在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，支點(diǎn)頂部裂縫較為嚴(yán)重，尤其是中梁現(xiàn)澆段支點(diǎn)附近。建立素混凝土有限元實(shí)體模型，對(duì)于梁體連接處現(xiàn)澆混凝土，由于采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工方法，體系轉(zhuǎn)化為連續(xù)梁以后，其荷載作用為二期恒載和活荷載。通過實(shí)體有限元模型分析T梁不同位置上翼緣的正應(yīng)力分布規(guī)律。

對(duì)于裝配式寬橋而言，橫向各梁的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)中梁稍大于邊梁的趨勢(shì)?，F(xiàn)以中梁作為分析對(duì)象，取邊跨1/4處、邊跨跨中、邊跨支點(diǎn)、中跨1/4處、中跨跨中和中跨支點(diǎn)6個(gè)不同位置分析上翼緣的正應(yīng)力分布規(guī)律，其正應(yīng)力分布規(guī)律如圖1。

圖1 不同位置上翼緣正應(yīng)力分布

由圖1可知：邊跨1/4處、邊跨跨中、中跨1/4處和中跨跨中上翼緣正應(yīng)力分布較為均勻，剪力滯效應(yīng)不明顯。邊跨支點(diǎn)、中跨支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力分布不均勻，剪力滯效應(yīng)明顯，且均為正剪力滯效應(yīng)。在支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)，由于存在正剪力滯效應(yīng)，支點(diǎn)頂部拉應(yīng)力容易使上翼緣混凝土開裂。

2 普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響

由上述剪力滯效應(yīng)分布特點(diǎn)研究得出邊跨支點(diǎn)、中跨支點(diǎn)上翼緣剪力滯效應(yīng)明顯。因此，下面只針對(duì)支點(diǎn)上翼緣正應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.1 普通鋼筋對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響

建立鋼筋混凝土有限元實(shí)體模型，通過改變T梁承托到支點(diǎn)范圍內(nèi)的上翼緣普通鋼筋直徑來分析裝配式寬幅連續(xù)T梁支點(diǎn)上翼緣正應(yīng)力分布規(guī)律。

取3組不同鋼筋直徑12，18，25 mm。將正應(yīng)力分布匯成折線如圖2。

圖2 支點(diǎn)上翼緣正應(yīng)力分布

由圖2可知：普通鋼筋能夠減小支點(diǎn)上翼緣的拉應(yīng)力值，拉應(yīng)力整體減小且幅值較小，通過改變鋼筋直徑基本無法改變支點(diǎn)處混凝土梁的受力。另外應(yīng)力極大值與極小值差值在配置普通鋼筋后基本沒有改變，其值約為0.6 MPa。支點(diǎn)上翼緣仍然存在剪力滯效應(yīng)，且為正剪力滯效應(yīng)。因此，配置普通鋼筋對(duì)于剪力滯效應(yīng)基本沒有影響。

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)剪力滯效應(yīng)影響研究

建立預(yù)應(yīng)力混凝土有限元實(shí)體模型，取預(yù)應(yīng)力鋼束不同布置位置、不同股數(shù)來分析連續(xù)T梁橋支點(diǎn)上翼緣正應(yīng)力分布規(guī)律。取3組不同預(yù)應(yīng)力鋼束股數(shù)，第1組：T1為5股、T2為3股；第2組：T1為5股、T2為4股；第3組：T1為5股、T2為5股。另外，改變預(yù)應(yīng)力鋼束橫向布置位置，在T1為5股、T2為3股的基礎(chǔ)上，梁肋頂部中間位置增加T3且為3股。負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束橫斷面布置如圖3所示。

圖3 負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束橫斷面布置(單位：mm)

將其正應(yīng)力分布匯成折線圖，見圖4。

圖4 支點(diǎn)上翼緣正應(yīng)力分布

將配有不同布置位置、不同股數(shù)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)力值列入表1、表2進(jìn)行比較。

由圖4、表1、表2可知：預(yù)應(yīng)力鋼束能夠有效減小支點(diǎn)上翼緣的正應(yīng)力值，減小幅值較大，但是通過改變預(yù)應(yīng)力鋼束橫向布置位置和股數(shù)基本無法改變整體混凝土梁的受力。另外應(yīng)力極大值與極小值差值在配置預(yù)應(yīng)力鋼束后基本沒有改變，其值約為0.6 MPa，支點(diǎn)由正剪力滯變?yōu)樨?fù)剪力滯。因此，配置預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)于剪力滯效應(yīng)基本沒有影響。在理論上考慮剪力滯的翼緣板正應(yīng)力公式為

表1 預(yù)應(yīng)力混凝土在支點(diǎn)上翼緣正應(yīng)力峰值

表2 荷載作用下的上翼緣支點(diǎn)處正應(yīng)力極大值與極小值差值比較

(1)

(2)

(3)

式中：σx為彎曲正應(yīng)力；u(x,y)為梁的縱向位移;u(x)為翼緣板剪切轉(zhuǎn)角的最大差值；n,k為瑞斯納函數(shù)；M(x)為彎矩；Q(x)為剪力；G為剪切模量；E為混凝土彈性模量；hi為翼緣板中心到截面形心距離；b為翼緣板寬度；I為全截面抗彎剛度；Is為翼緣板抗彎剛度；C1,C2為與邊界條件相關(guān)的系數(shù)

式(1)括號(hào)中第一項(xiàng)為初等梁理論計(jì)算截面正應(yīng)力的結(jié)果，第二項(xiàng)為考慮剪力滯效應(yīng)的正應(yīng)力值，與翼緣板最大剪切轉(zhuǎn)角差值的導(dǎo)數(shù)有關(guān)。在式(2)中C1，C2只與邊界條件有關(guān)而與荷載形式無關(guān)，第三項(xiàng)與梁體所受剪力有關(guān)，而配置在頂板處的預(yù)應(yīng)力鋼束為平行于翼板的直線鋼束，只產(chǎn)生軸向力與彎矩，不會(huì)產(chǎn)生剪力，所以對(duì)于截面正應(yīng)力分布不會(huì)產(chǎn)生影響。

配置預(yù)應(yīng)力鋼束使支點(diǎn)處的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，可以充分發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度，能夠有效地避免上翼緣混凝土出現(xiàn)裂縫。本例分析對(duì)象為先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)梁，對(duì)于連續(xù)梁，因?yàn)樽灾匦?yīng)更需要防止中支點(diǎn)梁頂出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3 結(jié)論

1)對(duì)于裝配式寬幅連續(xù)T梁橋，在支點(diǎn)翼緣板處剪力滯效應(yīng)較為明顯，在跨中和1/4跨徑處剪力滯效應(yīng)不明顯。

2)配不同直徑的普通鋼筋或改變預(yù)應(yīng)力鋼束橫向布置位置、鋼束股數(shù)只能減小應(yīng)力峰值，但應(yīng)力峰值差基本不變，配普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束均無法抵消剪力滯效應(yīng)。因此，剪力滯效應(yīng)不受配普通鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼束的影響，只與幾何本身性質(zhì)有關(guān)。

3)配置預(yù)應(yīng)力鋼束可大幅減小支點(diǎn)應(yīng)力值，使支點(diǎn)處的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，可充分發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度，因此，配預(yù)應(yīng)力鋼束是防止支座頂部梁體出現(xiàn)裂縫的有效方法。在本例中剪力滯的應(yīng)力峰值差約為0.6 MPa，因此配預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)需要預(yù)留>0.6 MPa的安全儲(chǔ)備。對(duì)于連續(xù)梁，因?yàn)樽灾匦?yīng)更需要注意支點(diǎn)頂部拉應(yīng)力，注意預(yù)留更多的安全儲(chǔ)備。

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