單箱多室斜交箱梁受力性能分析

肖 運(yùn) 棟

(深圳市華方工程設(shè)計(jì)顧問有限公司,廣東 深圳 518001)

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單箱多室斜交箱梁受力性能分析

肖 運(yùn) 棟

(深圳市華方工程設(shè)計(jì)顧問有限公司,廣東 深圳 518001)

介紹了斜交箱梁的特點(diǎn)，通過建立某工程的ANSYS模型，考察箱梁在自重及預(yù)應(yīng)力作用下，不同斜交角對箱梁支反力、剪力滯效應(yīng)的影響，并總結(jié)了斜交箱梁橋的支反力變化，得出不同斜交角、跨中橫隔板對斜交箱梁橋不利截面的剪力滯效應(yīng)分布規(guī)律，提出了該種橋型的設(shè)計(jì)建議。

斜交箱梁，斜交角，剪力滯，支反力，橫隔板

在城市的快速發(fā)展中，一些現(xiàn)有道路越來越不能滿足日益增長的交通需求。為解決人民群眾的出行需要，需要在現(xiàn)有道路節(jié)點(diǎn)上新建立交以疏解交通。面對現(xiàn)有道路節(jié)點(diǎn)的制約，經(jīng)常性的出現(xiàn)橋梁以斜交方式跨越現(xiàn)有道路。

由于斜交角的存在，造成各腹板受力不一致，會(huì)引起支反力的變化，這對支座的選取及下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著非常大的影響。

根據(jù)梁彎曲初等理論的平截面假定，不考慮剪切變形對位移的影響，彎曲正應(yīng)力沿梁寬度方向是均勻分布的，但是在箱型梁中，由于翼板剪切變形的不均勻性，彎曲應(yīng)力沿梁寬度方向也是不均勻分布的，這種現(xiàn)象稱之為“剪力滯”現(xiàn)象[1]。在以前的工程設(shè)計(jì)中，剪力滯效應(yīng)如果考慮不周，將會(huì)導(dǎo)致箱梁的應(yīng)力集中，可能繼續(xù)惡化為橋梁損毀，如澳洲、歐洲等國發(fā)生的重大鋼箱梁事故，國內(nèi)佛陳大橋、順德立交等橋梁的翼緣板橫向裂縫問題等。目前，國內(nèi)外對箱梁的剪力滯效應(yīng)多集中在正交橋梁上，對斜交橋梁的研究資料偏少。鑒于單箱多室斜交箱梁的受力性能、傳力路徑等方面都與正交箱梁有所區(qū)別，其空間效應(yīng)隨著橋梁寬度的增大也有較大變化，因此有必要對單箱多室斜交箱梁進(jìn)行研究。

在斜交箱梁的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常將斜交箱梁簡化為單根桿系梁，只在支座約束上反映斜交，亦或采用剪力柔性梁格法[2]。前者無法反映斜交角對箱梁空間受力的影響，特別對于斜交角度比較大的情況；后者對于一般箱梁來講，計(jì)算前對箱梁的梁格特性處理較為繁瑣，容易造成人為偏差[3]。本文利用ANSYS有限元軟件對不同斜交角的箱梁進(jìn)行三維實(shí)體建模，分析斜交角對箱梁受力性能的影響。

1 工程背景

本次研究對象為一跨線立交橋，橋跨布置為(30+36+30)m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋面寬度為16.0 m。端橫梁與道路中心線正交；中橫梁與道路中心線斜交，斜交角為30°。橋梁采用等高單箱四室布置，梁高為1.9 m，端橫梁寬1.6 m，中橫梁寬2.2 m，中跨跨中設(shè)置40 cm厚的橫隔板一道(見圖1，圖2)。

2 有限元模型的建立

箱梁采用Solid65單元，預(yù)應(yīng)力鋼束采用Link8單元。本文擬根據(jù)不同的斜交角(0°，15°，30°，45°)分析斜交箱梁在支座反力上的差異，考慮在箱梁自重及預(yù)應(yīng)力下的剪力滯效應(yīng)。

考慮到不同的斜交角度，本文采用ANSYS參數(shù)化語言(APDL)進(jìn)行建模，預(yù)應(yīng)力鋼束與周圍混凝土采用耦合約束，預(yù)應(yīng)力的施加采用等效降溫法，即預(yù)應(yīng)力的降溫值為：

(1)

其中，ΔT為預(yù)應(yīng)力的降溫值；α為預(yù)應(yīng)力的線膨脹系數(shù)；σ為預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力。

圖3為ANSYS的斜交箱梁斷面網(wǎng)格劃分圖(斜交角30°)。

3 斜交箱梁支反力分析

本次分析只考慮箱梁自重與預(yù)應(yīng)力的作用，圖4，圖5為不同斜交角(0°，15°，30°，45°)下箱梁的支反力分布情況，其中“桿系”為將斜交箱梁簡化為單根桿系梁，只在支座約束上反映斜交的方法，計(jì)算軟件采用MIDAS Civil。

從圖4，圖5中可以看出：

1)“桿系”方法未能反映斜交角對支反力的影響，特別是端橫梁。隨著斜交角的增大，兩者差值逐漸增大，在斜交角為45°時(shí)，端橫梁支反力兩者差值為13%，中橫梁支反力兩者差值為6%。由此可見，“桿系”方法未能準(zhǔn)確體現(xiàn)各腹板的受力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。

2)通過ANSYS數(shù)據(jù)可知，支反力隨著斜交角近似線性變化，本例端橫梁為5倍斜交角差值變化，中橫梁為11倍斜交角差值變化。

4 斜交箱梁剪力滯分析

在工程上一般用剪力滯系數(shù)λ來描述箱梁剪力滯效應(yīng)[4]：

(2)

本次分析只考慮箱梁自重與預(yù)應(yīng)力的作用，圖6～圖9為不同斜交角(0°，15°，30°，45°)下箱梁中橫梁附近斷面(橫梁受支座影響，無法體現(xiàn)各腹板的剪力滯效應(yīng))、跨中位置的頂?shù)拙壖袅闆r，其中箱梁橫斷面各點(diǎn)位置為0處代表箱梁橫向的中心處。

從圖6～圖9中可以看出：

1)從總體上看，單箱多室斜交箱梁的剪力滯系數(shù)與正交箱梁相比，無論在變化幅度還是變化趨勢上，都有區(qū)別。斜交角度的增大，會(huì)加劇剪力滯效應(yīng)的變化。

2)在中橫梁附近截面頂緣，由于斜交角的存在，兩外腹板的頂緣剪力滯效應(yīng)變化明顯，應(yīng)力隨斜交角的增大向兩外腹板集中，其中在斜交角45°時(shí)，剪力滯最大為1.6，而正交橋僅為1.18。而翼緣板及箱梁截面中心出現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng)，應(yīng)力隨斜交角的增大有逐漸減小的趨勢，斜交角越大，減小越大。

3)中橫梁附近截面底緣，四道腹板的剪力滯效應(yīng)變化顯著，呈現(xiàn)近似反對稱變化的形式，兩外腹板、中腹板的剪力滯變化方向相反。正應(yīng)力逐漸向斜交角傾斜方向靠里腹板積聚，其中在斜交角45°時(shí)，剪力滯最大為1.65，而正交橋僅為0.97。在計(jì)算時(shí)，還應(yīng)充分考慮外腹板的負(fù)剪力滯效應(yīng)。

4)對于跨中截面,其剪力滯效應(yīng)隨斜交角的變化不如中橫梁附近截面變化的劇烈，斜交情況下跨中截面的最大剪力滯系數(shù)比正交情況稍大,頂板最大剪力滯系數(shù)為1.24,底板最大剪力滯系數(shù)為1.15。由于斜交角的增大，跨中底板底緣在箱梁截面中心的剪力滯效應(yīng)由負(fù)變正，外側(cè)腹板剪力滯效應(yīng)由正變負(fù)，說明應(yīng)力逐漸向箱梁中心集中。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意這種變化。

針對跨中剪力滯的分布情況，本文選取斜交角為30°時(shí)，跨中是否有橫隔板情況下進(jìn)行剪力滯分析，其中箱梁橫斷面各點(diǎn)位置為0處代表箱梁橫向的中心處。

從圖10，圖11中可以看出：

跨中橫隔板剪力滯影響不大，無跨中橫隔板頂緣的最大剪力滯系數(shù)為1.12，有跨中橫隔板頂緣的最大剪力滯系數(shù)為1.07，相差僅4.1%；無跨中橫隔板底緣的最大剪力滯系數(shù)為1.07，有跨中橫隔板底緣的最大剪力滯系數(shù)為1.04，相差僅2.8%。由此得出橫隔板對剪力滯系數(shù)并無太大影響。

5 結(jié)論和建議

1)單箱多室斜交箱梁斜交角的變化對支座支反力有影響，支反力變化與斜交角呈線性關(guān)系；“桿系”方法未能反映斜交角對支反力的影響，與實(shí)際結(jié)果有差異。計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮斜交角的影響，采用更合適的方法進(jìn)行復(fù)核。

2)單箱多室斜交箱梁的剪力滯效應(yīng)與正交橋相比變化很大,隨著斜交角的增加，剪力滯變化越劇烈。在中橫梁附近位置,頂緣剪力滯系數(shù)關(guān)于箱梁中心近似對稱變化，應(yīng)力隨斜交角的增大向兩外腹板集中；底緣出現(xiàn)剪力滯系數(shù)反對稱，特別是外腹板變化尤大。由于存在斜交角的影響，故在針對單箱多室斜交箱梁的計(jì)算中，應(yīng)采用更為精確的計(jì)算方法，模擬各道腹板的受力。

3)本文通過對30°斜交角箱梁的分析，表明跨中橫隔板對跨中剪力滯效應(yīng)并無太大影響。

[1] 郭金瓊,房貞政,鄭 振.箱型梁設(shè)計(jì)理論[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] E.C.漢勃利.橋梁上部構(gòu)造性能[M].北京:人民交通出版社,1982.

[3] 楊志華.梁格法在混凝土連續(xù)箱梁橋計(jì)算中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)(理論版),2006,4(5):69-70.

[4] 范立礎(chǔ).橋梁工程(上冊)[M].北京:人民交通出版社,2008.

Analysis on stress performance of skew box girder with single box and multi-chamber

Xiao Yundong

(ShenzhenHuafangEngineeringDesignConsultingCo.,Ltd,Shenzhen518001,China)

The thesis introduces features of skew box girder. Through establishing the engineering ANSYS model, it monitors the impact of different skew angles upon box girder bearing reaction force and shear-lag effect under self-weight and prestress of the box girder, summarizes bearing reaction force alteration of the skew box girder bridge, obtains negative section shear-lag effect distribution law of different skew angle and middle-span diaphragm board, and finally puts forward the bridge design suggestions.

skew box girder, skew angle, shear-lag, bearing reaction force, diaphragm board

1009-6825(2017)06-0205-02

2016-12-11

肖運(yùn)棟(1985- )，男，工程師

U441

A