彎曲寬箱梁剪力滯分析

彎曲寬箱梁剪力滯分析

李成1，劉晨光2

（1中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院，重慶400016；2四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618000）

該文介紹了曲線梁與直線橋區(qū)別和剪力滯效應(yīng)，運(yùn)用有限元軟件對彎曲寬箱梁受力性能進(jìn)行了分析，得出了其在自重作用下應(yīng)力狀態(tài)和支座處剪力滯效應(yīng)規(guī)律。通過計(jì)算得出，在一定曲率半徑范圍內(nèi)，彎曲寬箱梁在自重及偏心車道荷載作用下順橋正剪力滯系數(shù)有較好的規(guī)律分布，最大值一般在4左右，以及外側(cè)支座處剪力滯系數(shù)大于內(nèi)側(cè)。

彎曲寬箱梁；受力性能；剪力滯效應(yīng)；應(yīng)力分布；曲線梁橋；直線橋；彎扭耦合

1 概述

曲線梁橋由于結(jié)構(gòu)自身存在著與直線橋最本質(zhì)的區(qū)別——彎扭耦合問題[1-2]，因此曲線梁橋的設(shè)計(jì)、施工及研究的難度比直線橋大得多，并且在目前規(guī)范中關(guān)于曲線梁橋涉及的也比較少。

在寬箱梁[3]中普遍存在剪力滯后效應(yīng)，忽略剪力滯效應(yīng)的影響，就會低估箱梁腹板和翼板交接處的撓度和應(yīng)力。如20世紀(jì)60年代國外發(fā)生的多起橋梁箱梁破壞事故。從對這些出現(xiàn)事故的橋梁的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入分析后，發(fā)現(xiàn)都沒有仔細(xì)分析“剪力滯效應(yīng)[4]”。國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)中未考慮剪力滯效應(yīng)而出現(xiàn)事故的橋梁也數(shù)不甚數(shù)，由于未考慮剪力滯效應(yīng)，使得橋梁實(shí)際應(yīng)力大于設(shè)計(jì)應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中造成橋梁發(fā)生破壞。

剪力滯效應(yīng)的分析方法主要有五種：卡曼理論、彈性理論、比擬桿法、能量變分法、數(shù)值分析法。近年來計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用使得數(shù)值分析法得到了快速發(fā)展[5]，數(shù)值分析法包括有限元法、有線條法、有限段法。本文采用有限元方法進(jìn)行分析，有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。利用有限元法分析的最大優(yōu)勢就是能夠獲取全面而又準(zhǔn)確的應(yīng)力分布圖像，計(jì)算結(jié)果具有針對性和可靠性[6]。

有限元分析可分成三個(gè)階段，前置處理、計(jì)算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后置處理則是采集處理分析結(jié)果。

2 研究對象及模型

本文研究的彎曲寬箱梁跨徑（30+36+30）m，橫斷面尺寸如圖1所示。內(nèi)側(cè)腹板從外向內(nèi)依次為1#～5#腹板，支座布置對應(yīng)于2#與4#腹板位置處?；炷撩芏热?6kN/m3，取C50混凝土彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比vc為0.1667。

圖1 橫斷面圖

本文采用圖2所示的支座布置以及圖3所示的跨徑布置形式，曲率半徑分別選取60m、90m、120m和直橋。

圖2 支座布置圖

圖3 跨徑布置圖

采用空間有限元程序ANSYS[7-8]建立簡支曲線鋼箱梁模型進(jìn)行分析計(jì)算，箱梁頂板、底板、翼板、腹板均用板殼單元SHELL63單元模擬[9]。SHELL63既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。本單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動。整體坐標(biāo)系為：沿橋跨方向?yàn)閄方向，橫橋向?yàn)閅方向，垂直橋面豎向?yàn)閆方向，原點(diǎn)在圓心處。

按照圖1提供的板厚建立有限元模型如圖4。

圖4 有限元模型圖

計(jì)算荷載考慮自重和車道荷載，其中汽車荷載全跨承受對稱均布荷載，大小為q＝10.5kN/m，作用位置為翼板與腹板相交處。剪力滯系數(shù)λ[10]定義為：考慮剪力滯效應(yīng)影響所求得的正應(yīng)力除以按初等梁理論所求得的正應(yīng)力。其中按初等梁理論所求得的正應(yīng)力是根據(jù)翼板實(shí)際應(yīng)力圖下的面積除以翼板寬度而近似得到。

本文按照以下思路計(jì)算剪力滯系數(shù)λ：

當(dāng)?shù)染嚯x提取應(yīng)力值時(shí)：

其中l(wèi)為截面寬度。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 自重作用下剪力滯效應(yīng)分析

按照前述的建模參數(shù)，采用ANSYS計(jì)算結(jié)果如下，由于各曲率半徑下正應(yīng)力狀態(tài)相似，所以圖5只給出了90m自重作用下的頂板順橋向正應(yīng)力云圖。

圖5 自重作用下正應(yīng)力云圖

將不同曲率半徑下L2截面橋面板正應(yīng)力圖提取繪制如表1和圖6（表1中x為橋面到內(nèi)側(cè)邊緣橫橋向距離）。

表1 自重作用下橫橋向正應(yīng)力值（MPa）

圖6 自重作用下L2截面正應(yīng)力分布（MPa）

從應(yīng)力分布圖可以看出，支座處順橋向正應(yīng)力幅隨半徑增大而減小，顯示出很好的規(guī)律性?？缰幸灿邢嗨频囊?guī)律，但在直橋時(shí)有突然增大的趨勢。

根據(jù)之前定義的剪力滯系數(shù)的計(jì)算方法，可計(jì)算出該截面剪力滯系數(shù)λ如表2和圖7。

表2 自重作用下剪力滯效應(yīng)系數(shù)

圖7 自重作用下L2剪力滯系數(shù)

從表2可以看出，在自重作用下，截面外側(cè)剪力滯系數(shù)大于內(nèi)側(cè)，其中外側(cè)支座處剪力滯系數(shù)曲率半徑為120m時(shí)達(dá)到3.69，曲率半徑為120m時(shí)達(dá)到2.59，從12.08m至21.14m剪力滯系數(shù)均大于1，可見在自重作用下彎梁外側(cè)承擔(dān)大部分荷載。

3.2 偏心車道荷載作用下剪力滯效應(yīng)分析

由于自重屬于對稱荷載，為了考慮彎梁在偏心荷載作用下受力性能。下面將車道荷載作為偏心荷載施加在彎梁上，大小根據(jù)04橋梁通用規(guī)范[11]規(guī)定的q=10.5kN/m，暫且不考慮集中荷載，位置在由外向內(nèi)第二個(gè)中腹板處。計(jì)算給出80m的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果如圖8。

將L2截面正應(yīng)力圖提取繪制如表3和圖9。

根據(jù)之前定義的剪力滯系數(shù)的計(jì)算方法，可計(jì)算出該截面剪力滯系數(shù)λ如表4和圖10。

從以上計(jì)算可以看出，彎曲梁應(yīng)力沿順橋向分布呈對稱形狀，L2截面處頂板在偏心車道荷載作用下剪力滯系數(shù)當(dāng)曲率半徑在一定范圍（本文中為60m～120m）時(shí)變化很相近，但在直橋狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生了突變，峰值由4突變到11附近，可見當(dāng)曲率半徑不斷增大時(shí)，彎曲寬箱梁剪力滯效應(yīng)越來越顯著。

圖8 車道荷載作用下正應(yīng)力云圖

表3 車道荷載作用下橫橋向正應(yīng)力值（MPa）

圖9 車道荷載作用下L2截面正應(yīng)力分布

表4 車道荷載作用下L2截面剪力滯效應(yīng)系數(shù)

圖10 車道荷載作用下L2剪力滯系數(shù)

4 結(jié)語

從本文分析可以得出以下結(jié)論。

（1）自重與車道荷載作用下，在一定的曲率半徑下，彎曲寬箱梁頂板剪力滯系數(shù)一般為4，外側(cè)支座處剪力滯系數(shù)大于內(nèi)側(cè)。

（2）自重荷載作用下，中支座處剪力滯效應(yīng)呈現(xiàn)出良好的規(guī)律，隨著半徑的增大應(yīng)力值減小，但在直橋時(shí)有突變。車道荷載作用下，中支座處與自重作用下有相似的規(guī)律，但剪力滯系數(shù)突變很大，峰值由4突變到11附近。

（3）本文研究了彎橋在自重與偏心車道荷載作用下的受力性能，對于不同結(jié)構(gòu)體系，比如支座形式及位置改變時(shí)的受力性能有待于進(jìn)一步研究。

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001（7）.

[2]姚玲森.曲線橋[M].北京：人民交通出版社，1998.

[3]張士鐸，鄧小華，王文州.箱形薄壁梁剪力滯效應(yīng)[M].北京:人民交通出版社，1998.

[4]鄒毅松，李成君，易祥軍.薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)計(jì)算方法研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化.2012(05):93-99.

[5]周世軍.箱梁的剪力滯效應(yīng)分析[J].工程力學(xué)，2008，25（2）.

[6]周世軍.剪力滯對箱梁彎曲剛度影響的分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2010，32（4）.

[7]王新榮，初旭宏.ANSYS有限元基礎(chǔ)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[8]（美）莫維尼.有限元分析——ANSYS理論與應(yīng)用:第三版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[9]潘穎，鄧宇.基于ANSYS平臺計(jì)算分析薄壁箱梁的剪力滯效應(yīng)[J].四川建筑，2007(02):153-154.

[10]楊秀珍.連續(xù)曲線鋼箱梁剪力滯效應(yīng)分析[J].鐵道建筑，2006(2):1-3.

[11]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

清水墻保護(hù)一法

清水磚墻技術(shù)是以磚的組砌方式、拱券、挑檐、磚刻四種傳統(tǒng)操作工藝組合而成的建筑藝術(shù)，其中以磚縫之精致為我國獨(dú)有。以傳統(tǒng)建筑磚的顏色紅、灰為基調(diào)，紅之溫馨、灰之典雅，營造不同造型、風(fēng)格的建筑，掩映在綠蔭花叢自然環(huán)境中，給人以賞心悅目的感受。磚的色澤不受環(huán)境污染，是永恒不變的，磚紅才是正宗的中國紅，經(jīng)雨水沖刷，在陽光折射下，又會呈現(xiàn)出一棟新樓，大雪紛飛時(shí)，又會有別樣的感覺，總之清水磚墻以樸實(shí)無華的美感，使人們難以忘懷，可惜此類營造操作工藝隨清水磚墻建筑日漸消失，能存留下來的更顯珍貴。

在舊房改造中，對清水磚墻存在一些不好的做法，望能引以為戒。

(1)用顏色涂料。美容"清水墻，用畫筆描繪磚縫，且不說涂料與磚面粘結(jié)能否持久，這種做法使原來清晰整潔的墻面變得模糊，猶如舞臺布景。

(2)用面磚覆蓋清水墻。上海優(yōu)秀建筑延安中路四明村、虹口海淪路名人街都是這樣做的，這好比在給歷史建筑戴假面具，不可思議。

(3)在各種墻體基面上通貼面磚是當(dāng)今的時(shí)尚裝飾，這種做法不考慮建筑結(jié)構(gòu)的具體部位，方式混亂，清水磚墻組砌方式有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)則，要依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)部位不同，采用不同方式。

(4)在清水墻面上抹水泥砂漿涂紅粉，劃縫做假清水墻。

(5)用酸洗清水磚墻面上的老年斑，恢復(fù)建筑青春，這相當(dāng)于當(dāng)今"美容增白"，是在破壞墻面的顏容。清水磚墻建筑故舊滄桑、磚面變舊以及斑痕缺損正是建筑珍貴的歷史遺痕，是城市記憶的標(biāo)志，作為舊房改造管理者要了解歷史，尊重先輩工匠的勞動成果，保護(hù)建筑原有歷史風(fēng)貌，是大家共同的責(zé)任和義務(wù)。

（摘自：《建筑工人》）

Analysis on Shear Lag of Curved Wide Box Girder

Differences between curved beam and straight bridge and the shear lag effect are introduced.The finite element software is adopted to analyze the mechanical behavior of curved wide box girder,and the stress distribution and the shear lag effect rules under self-weight are obtained.Through calculation,in a certain curvature radius,the shear lag effect of curved wide box girder under self weight and eccentric lane load is regularly distributed,its maximal value is generally 4,and the shear lag coefficient at outer support is larger than that at inner support.

curved wide box girder;mechanical behavior;shear lag effect;stress distribution;curved beam bridge;straight bridge;bending-torsional coupling

U448.21+3；TU31

A

1671-9107（2013）09-0041-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.09.041

2013-07-21

李成(1982-)，男，青海門源人，研究生，助理工程師，主要從事結(jié)構(gòu)、巖土設(shè)計(jì)方面的工作。