荷载作用形式对预应力混凝土箱梁剪力滞效应的影响

黄文雄，王鹏，杨柳，龚倩倩　(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

谭利英　(荆州市城市规划设计研究院，湖北 荆州 434000)



荷载作用形式对预应力混凝土箱梁剪力滞效应的影响

黄文雄，王鹏，杨柳，龚倩倩(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

谭利英(荆州市城市规划设计研究院，湖北 荆州 434000)

[摘要]为研究荷载横向变位和纵向多点加载工况下，箱梁荷载施加截面的剪力滞效应，以ANSYS有限元分析软件为平台，并将荷载在纵向分为单点加载与双点加载2种情况，在横向分为对称加载、偏心加载和中心加载3种情况。分析了单点加载与双点加载情况下加载截面处的剪力滞效应，对比研究了单点加载与双点加载工况下跨中截面剪力滞效应。结果表明，在单点及双点加载情况下，中心加载对箱梁顶板剪力滞效应影响最大，偏心加载次之，对称加载相对最小；在单点加载情况下，偏心加载对箱梁底板剪力滞效应影响最大，中心加载次之，对称加载相对最小；单点加载情况下箱梁跨中顶板及底板剪力滞效应均明显强于双点加载情况下箱梁跨中顶板及底板剪力滞效应。

[关键词]桥梁工程；剪力滞效应；有限元分析；预应力混凝土箱梁；荷载形式

预应力混凝土箱形截面梁适用于众多大型桥梁之中，箱形桥梁所涉及的剪力滞效应的问题困扰着众多设计和施工人员，虽然国内外部分从事桥梁方向的人员对剪力滞效应有了较多的研究，也取得了比较丰富的成果。但相关研究大多是在箱梁腹板与顶板交界处施加对称荷载，该种方法虽然计算方便，但却忽略了实际工程中的一些实质性问题，如实际箱梁桥不是严格的受对称外荷载，更多的是受其他形式的荷载[1，2]。箱形梁的剪力滞效应是一个比较复杂的空间问题，荷载的作用形式对箱梁剪力滞效应有着重要影响，如果忽略荷载作用位置对箱梁剪力滞效应产生的影响，必然会对实际工程带来较大的安全隐患[3～5]。为此，笔者以数值仿真为主要方法，以大型通用有限元分析软件ANSYS为平台[6]，介绍了常用的外荷载作用形式，重点分析了几种外荷载作用形式对预应力混凝土箱梁剪力滞效应的影响，从而更加真实的研究荷载横向变位和纵向变位等工况下箱梁桥剪力滞效应变化情况，以便更好为实际工程提供参考。

1有限元分析模型的建立

通过对现实工程的桥梁进行调查分析，提取典型箱梁截面，建立跨径为30m的简支箱梁桥。模型采用SOLID65单元来模拟钢筋混凝土部分，用LINK8单元来模拟预应力钢筋,建立的箱梁模型如图1所示[7～10]。

图1　箱梁有限元分析模型

2外荷载的作用形式

为研究荷载横向变位、纵向多点加载情况下箱梁荷载施加截面的剪力滞效应，笔者以集中荷载为外荷载加载对象，并将荷载分为纵向加载和横向加载2种形式。外荷载在纵向加载形式分为仅在跨中截面位置加载，称为单点加载，如图2(a)所示；以及三分点位置的加载，称为双点加载，如图2(b)所示。外荷载在横向加载形式分为3种，第1种称为对称加载，即荷载施加在两侧翼板与腹板交界处，如图3(a)所示；第2种称为偏心加载，即荷载施加在一侧翼板与腹板交界处，如图3(b)所示；第3种称为中心加载，即荷载施加在顶板中点，如图3(c)所示。利用纵向加载与横向加载的6种组合工况，即单点对称加载、单点偏心加载、单点中心加载、双点对称加载、双点偏心加载、双点中心加载，来分析荷载作用形式对预应力混凝土箱梁剪力滞效应的影响。

图2　纵向加载形式

图3　横向加载形式

3有限元分析模型求解结果

图4　单点对称加载工况箱梁纵向正应力云图

利用上述的加载形式，对模型梁施加荷载，同时保证总的外荷载大小一定，分别求解分析上述六种工况下预应力混凝土箱梁典型截面的剪力滞后效应。笔者仅示单点对称加载工况下的模型求解结果，图4为单点对称加载工况下整个梁的纵向正应力云图，图5(a)、(b)分别为单点对称加载工况下跨中截面(即荷载施加截面)顶板、底板纵向正应力图。

4各加载工况下结果分析

对以上6种工况求解，运用有限元后处理技术提取结果，并整理分析。对单点加载情况下3种工况下跨中截面、双点加载情况下3种工况下荷载施加截面顶板及底板的剪力滞系数进行对比分析，并对单点加载及双点加载情况下跨中截面的剪力滞系数对比分析。

图5　单点对称加载工况跨中截面顶板纵向正应力图

1)单点加载工况跨中截面处剪力滞系数对比分析将荷载以单点集中荷载施加，通过改变荷载的横向作用位置，研究荷载横向变位对箱梁剪力滞效应产生的影响，为此对比分析单点对称加载、单点偏心加载以及单点中心加载这3种情况。

由图6(a)可知，单点对称加载工况下箱梁跨中截面顶板剪力滞系数呈对称“M”型分布，最大剪力滞系数出现在腹板与翼板交界处，最大值为1.43，最小值出现在翼板边缘为0.72；单点偏心加载工况下箱梁跨中截面顶板剪力滞系数最大值出现在荷载施加一侧顶板与腹板交界处，最大值为2.17，最小值出现在翼板边缘为0.64；单点中心加载工况下最大值出现在顶板中点附近，为5.96，最小值出现在翼板边缘为0.25。单点中心加载最大剪力滞系数比对称加载情况下增大了316.8%，比偏心加载最大剪力滞系数增大了174.7%，最小值比对称加载情况下减小了188%，比偏心加载情况下减小了156%。因此，单点中心加载对箱梁顶板剪力滞效应影响最大，单点偏心加载次之，单点对称加载相对最小。

由图6(b)可知，施加单点对称荷载所求得最大剪力滞系数位于底板边缘，为1.10，最小值位于底板中点，为0.92；施加单点偏心荷载所求得最大剪力滞系数位于施加荷载一侧的底板边缘，为1.52，最小值位于另一侧底板边缘，为0.68；施加单点中心荷载所求得最大剪力滞系数位于底板边缘，为1.22，最小值位于底板中点，为0.88。因此，单点偏心荷载箱梁底板剪力滞效应影响最大，单点中心加载次之，单点对称加载相对最小。

图6　单点加载情况下跨中截面剪力滞系数变化

2)双点加载工况跨中截面剪力滞系数对比分析为研究纵向多点加载情况下箱梁荷载施加截面的剪力滞效应，采用常见的三分点加载方式，按照上述双点加载情况下的3种加载工况加载，对比分析双点对称加载、双点偏心加载、双点中心加载3种工况下三分点截面剪力滞效应。

由图7(a)可知，箱梁顶板在双点加载情况下荷载施加截面处的剪力滞效应类似与单点加载情况下荷载施加截面处的剪力滞效应，单点中心加载对箱梁顶板剪力滞效应影响最大，最大剪力滞系数为2.71；单点偏心加载次之，最大剪力滞系数为2.06；为单点对称加载相对最小，最大剪力滞系数为1.48。

由图7(b)可知，箱梁底板在3种工况下的剪力滞效应差异不大，双点偏心加载与双点中心加载剪力滞系数分布曲线均在双点对称加载剪力滞系数分布曲线附近。因此，3种工况对箱梁底板剪力滞效应的影响大同小异。

图7　双点加载情况下剪力滞系数变化

3)单点加载及双点加载情况下跨中截面剪力滞系数对比分析简支梁跨中截面弯矩最大，其剪力滞系数也备受关注，为研究纵向单点与多点加载情况下跨中截面剪力滞系数，对比分析单点及双点加载情况下对称、偏心、中心加载工况跨中截面剪力滞系数。

由图8～10的分析可知，双点加载情况下箱梁跨中截面剪力滞系数大致均在1.0左右，单点加载情况下跨中截面剪力滞效应均比较明显。因此，单点加载情况下箱梁跨中顶板及底板剪力滞效应均明显强于双点加载情况下箱梁跨中顶板及底板剪力滞效应。

图8　对称荷载情况下剪力滞系数对比

5结论

通过有限元软件对模型的求解分析，得出以下几点结论：

图9　偏心荷载情况下剪力滞系数对比

图10　中心荷载情况下剪力滞系数对比

1)在单点加载情况下，中心加载对箱梁顶板剪力滞效应影响最大，偏心加载次之，对称加载相对最小；偏心加载对箱梁底板剪力滞效应影响最大，中心加载次之，对称加载相对最小。

2)箱梁顶板在双点加载情况下，中心加载对箱梁顶板剪力滞效应影响最大，偏心加载次之，对称加载相对最小；而对箱梁底板剪力滞效应的影响差异不大。

3)单点加载情况下箱梁跨中顶板及底板剪力滞效应均明显强于双点加载情况下箱梁跨中顶板及底板剪力滞效应。

[参考文献]

[1]项海帆. 高等桥梁结构理论[M]. 北京：人民交通出版社，2002.

[2] 吴文清. 波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应问题研究[D]. 南京：东南大学，2002.

[3]吴亚平，杨玫，周大为，等. 荷载横向变位下箱梁顶板与底板的剪滞效应分析[J].土木工程学报，2007，40(10)：8～12.

[4] 何广宇.箱梁剪力滞效应的研究与影响因素分析[D]. 南京：南京水利科学研究院，2005.

[5] 孙学先，延力强，刘志峰. 箱梁几何参数变化对剪力滞效应的影响分析[J]. 水利与建筑工程学报，2009，7(1)：29～31.

[6] 王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[7] 向宇. 比拟杆法分析波形钢腹板箱梁桥剪力滞效应[D]. 长沙：湖南大学，2011.

[8] 马磊，周林云，万水. 单箱三室波形钢腹板箱梁剪力滞效应研究[J]. 中外公路，2013，33(3)：95～99.

[9] 孙学先，延力强，刘志峰.箱梁几何参数变化对剪力滞效应的影响分析[J]. 水利与建筑工程学报，2009，7(1)：29～31.

[10] 黄文雄，谭利英. 混凝土结构有限元分析中预应力筋模拟的新思考[J]. 中外公路. 2013, 33(2): 108～111.

[编辑]计飞翔

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)01-0034-05

[中图分类号]U398.9

[作者简介]黄文雄(1980-)，男，博士，副教授，现主要从事现代桥式及桥梁结构设计理论方面的研究工作；E-mail:84583318@qq.com。

[基金项目]国家自然科学基金项目(51408057)；国家大学生创新创业训练计划项目(104892014002)。

[收稿日期]2015-10-18

[引著格式]黄文雄，王鹏，杨柳，等.荷载作用形式对预应力混凝土箱梁剪力滞效应的影响[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(1)：34～38.