单箱多室斜交箱梁剪力滞效应分析

文章编号:1673󰀁4874(2011)05󰀁0055󰀁004

RIDGEAND

TUNNELENGINEERING

WesternChinaCommunicationsScience&Technology桥隧工程

西部交通科技

单箱多室斜交箱梁剪力滞效应分析

邓小康,向桂兵

(广西交通科学研究院,广西󰀁南宁󰀁530007)

摘󰀁要:文章结合具体工程实例,介绍了单箱多室斜交箱梁的剪力滞分析思路,并通过建立三维实体有限元模型,对比分析了正交桥与斜交桥剪力滞效应的差异,探讨了宽高比、斜交角等结构参数对单箱多室斜交桥剪力滞效应的影响。研究发现,单箱多室斜交箱梁桥的剪力滞效应与正交桥相比有很大差异,同时其参数敏感性也更加显著。

关键词:单箱多室斜交箱梁;剪力滞效应;分析中图分类号:U448󰀁21+3󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

TheAnalysisonShearLagEffectonSingleBoxMulti󰀁OvenSkewGirder󰀁󰀁󰀁󰀁

DENGXiao󰀁kang,XIANGGui󰀁bing

(GuangxiTransportationResearchInstitute,Nanning,Guangxi,530007)

Abstract:Combinedwiththeconstructionpractice,thearticleintroducestheshearlageffectofsingleboxmultioverskewgirder.Bybuildinga3Dfiniteelementmodel,thearticleper󰀁formscomparisonanalysisonthedifferenceofshearlageffectonrightbridgeandskewbridge.Italsodiscussesthewidthandheightratio,skewangleandotherstructureindexontheinfluenceofshearlageffect.Thestudyresultshowsthatthereisahugedifferencebetweentheeffectsonrightandskewbridge,andthesensitivityofstructureindexisgreaterforsingleboxskewgirder.

KeyWords:Singleboxmultiovenskewgirder;Shearlageffect;Analysis

0󰀁引言

作者简介

邓小康(1985-),男,湖北钟祥人,主要从事桥梁检测与加固研究。

由于周边环境条件的限制及路线走向的需要,高等级公路桥梁经常会采用斜交形式。斜交桥按截面形式可以分为斜板桥、斜肋梁桥和斜箱梁桥。其中斜箱梁多用于连续体系的桥梁上,它具有抗扭刚度大、整体性好等特点,且满足斜交桥的受力要求。

2011年第5期总第46期󰀁55目前,在路桥建设中,由于桥面越来越宽,薄壁箱形截面梁被广泛运用,箱梁的剪力滞效应也变得更加明显,特别是宽顶板、长悬臂的单箱多室截面混凝土薄壁箱形构件,其剪力滞效应相当严重,如果忽略剪力滞的影响,势必会导致结构失稳。例如,从1969年11月至1971年11月,在奥地利、英国、澳大利亚、德国相继发生了四起钢箱梁桥失稳或破坏事故[1]。究其原因,都是设计时未认真考虑剪力滞效应,使梁体应力过分集中从而导致箱梁桥失稳或破坏。此后,剪力滞现象在桥梁工程中开始引起重视。目前,桥梁工程中广泛采用的长悬臂倒梯形薄壁箱形截面,由于翼缘的剪力滞现象存在,使翼缘板有效分布宽度的确定成为其正截面抗弯承载力计算的关键问题。

近二十年来,剪力滞效应对箱梁力学性能的影响已引起桥梁界的广泛关注,国内外学者对薄壁箱

梁的剪力滞效应进行了大量的研究,但是这些研究多是针对正交桥梁,目前少有的对斜交箱梁桥剪力滞效应的研究也多集中于单箱单室或单箱双室箱梁[2]。相比之下,斜交单箱多室箱梁不仅受力性能和正交桥差距巨大,其空间效应也比单箱单室(或双室)箱梁桥显著许多,因此,有必要对斜交单箱多室箱梁桥的剪力滞效应进行研究。

1󰀁研究对象

灵峰互通式立体交叉主线中桥位于怀贺高速公路灵峰(桂粤界)󰀁八步段,采用17+27+17m的现浇预应力混凝土斜交梁桥,斜交角为30󰀁。本文选取左幅桥的单箱四室箱梁作为研究对象,其截面尺寸如图1所示。

图1󰀁研究对象横截面布置图

梁桥的剪力滞效应的异同点,探讨在斜交桥力学计

2󰀁有限元模型的建立

为了得到斜交桥在各种工况下的实际应力状态,本文采用ANSYS中的SOLID65单元建立对象桥梁的实体模型。首先分析斜交箱梁桥与正交箱

算过程中应考虑的剪力滞效应的特殊性。

在上述分析的基础上,建立多个模型对斜交箱梁进行参数敏感性分析,并分别研究不同宽高比、不同斜交角(15󰀁、30󰀁、45󰀁、60󰀁)对斜交单箱多室箱梁剪力滞效应的影响。

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SOLID65单元是ANSYS软件中专门为混凝土材料定义的单元,可模拟含钢筋或不含钢筋的三维混凝土单元,具有拉裂与压碎的性能。该单元具有8个节点,每个节点有3个自由度,即x、y、z三个方向的线位移[3]。

图2、3为采用ANSYS建立的斜交箱梁模型的平面和横截面图。

体效应的70%以上,因此,选取恒载作为研究剪力滞效应的主要荷载效应。

图4~7为恒载作用下对象桥梁(考虑正交和斜交30󰀁两种情况)的剪力滞情况。

[5]

图4󰀁对象桥梁跨中截面顶板剪力滞曲线图

图2󰀁斜交箱梁模型平面图

图5󰀁对象桥梁跨中截面底板剪力滞曲线图

图3󰀁斜交箱梁模型横截面图

3󰀁斜交桥剪力滞效应特殊性分析

图6󰀁对象桥梁支座附近截面顶板剪力滞曲线图

目前,试验结果和理论分析均表明宽翼缘箱形截面梁存在剪力滞现象,其最大正应力值󰀁max一般大于按初等梁理论计算的应力平均值󰀁。为此,引入剪力滞系数,它是衡量剪力滞影响程度的主要指标,其表达式为:

考虑剪切变形所求得的法向应力󰀁󰀁=按初等梁理论所求得的法向应力=󰀁(1)对于斜交箱梁来说,其受力是一个弯、剪、扭组合作用的空间受力,因此无法按初等梁理论求得其法向应力,可将实体模型分析得到的上下缘应力的宽度方向的平均值来近似模拟󰀁。

对于大部分桥梁来说,其恒载产生的效应占整

[4]

图7󰀁对象桥梁支座附近截面底板剪力滞曲线图

从图中可以看出:

(1)对于跨中截面,单箱多室的正交桥和斜交桥的剪力滞系数差异不明显,其趋势基本一致,斜交情况下跨中截面的最大剪力滞系数比正交情况

2011年第5期总第46期󰀁57稍大,顶板最大剪力滞系数为1󰀁1左右,底板最大剪力滞系数为1󰀁2左右;

(2)对于支座附近截面,单箱多室斜交桥的剪力滞系数与正交桥相比差异很大,剪力滞效应更加明显。斜交角30󰀁的斜交桥的顶、底板最大剪力滞系数分别达到了1󰀁48和1󰀁64;而相应的正交桥的顶、底板最大剪力滞系数仅为1󰀁18和1󰀁23。同时,还应注意斜交箱梁支座附近底板在计算过程中出现的负剪力滞现象。

从图8、9可以看出,宽高比对单箱多室的斜交箱梁的剪力滞效应有很大影响,尤其是支座附近的

剪力滞效应对其十分敏感。随着宽高比的增加,跨中截面和支座附近截面的顶板剪力滞效应均显著增加,尤其是支座附近截面,当宽高比从8增大到26时,其最大剪力滞系数从1󰀁34升至2󰀁0以上,可以预见,随着斜交箱梁的扁宽化发展,其剪力滞效应会愈发明显。

图10、11是对象桥梁在保持宽高比(取为20)等参数不变的情况下剪力滞效应随不同斜交角(15󰀁、30󰀁、45󰀁、60󰀁)变化的曲线图。

4󰀁参数敏感性分析

目前,在路桥建设中,薄壁箱形截面梁被广泛

运用,这些桥梁的宽高比明显增加,空间效应显著增强,而且为了满足美观和线路走向的要求,斜交桥的斜交角度也越来越大。所有这些因素都对斜交桥的受力有很大的影响,研究这些因素对斜交桥的空间力学性能的影响,特别是对剪力滞的影响就显得尤为重要。

限于篇幅,本文仅选取恒载作用下跨中截面和支座附近截面的顶板进行剪力滞效应分析。

图8、9是对象桥梁在保持斜交角为30󰀁不变的情况下剪力滞效应随不同宽高比变化的曲线图。

图10󰀁恒载作用下跨中截面顶板剪力

滞效应随斜交角变化的曲线图

图11󰀁恒载作用下支座附近截面顶板剪力

滞效应随斜交角变化的曲线图

图8󰀁恒载作用下跨中截面顶板剪力滞效应随宽高比变化的曲线图

从图10、11可以看出:

(1)当桥梁斜交角在<45󰀁的范围变化时,其跨中截面板顶剪力滞效应变化不大,随着斜交角的增加,剪力滞效应仅有少许增大的趋势;但当斜交角在45󰀁~60󰀁范围内变化时,跨中截面板顶剪力滞效应急剧变化,最大剪力滞系数显著增加。

(2)当桥梁斜交角在<45󰀁范围内变化时,其支座附近截面剪力滞效应随着斜交角的增大而明显

(下转第64页)

图9󰀁恒载作用下支座附近截面顶板剪力

滞效应随宽高比变化的曲线图

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虑,划分为84个单元,单元划分和计算模型如图13所示。

发现,及时了解旧桥的服役状况,可以为桥梁运营的安全性评价提供技术依据,并为今后桥梁维护、管理提供原始资料。通过对旧桥加固利用,不仅节约了成本,而且提高了现有桥梁通行能力和服务水平,经济效益和社会效益明显。

图13󰀁燕岩大桥加固计算模型图

3󰀁3󰀁加固效果分析

经过计算发现,增大桥梁构件受力断面和配置钢筋,可以加强结构的整体性、稳定性、抗裂性,提高抗弯强度和刚度,从而使得桥梁承载力得到保证。通过增设横系梁,改变结构受力体系,增强实腹肋间的横向联系。

参考文献

[1]谌润水,胡钊芳,帅长斌.公路旧桥加固技术与实例[M].北京:人民交通出版社出版,2002,1.

[2]宋一凡,贺拴海.公路桥梁荷载试验检测结构评定[M].北京:人民交通出版社出版,2002,4.[3]JTGH11-2004,公路桥涵养护规范[S].[4]JTGD60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[5]JTGD62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

4󰀁结语

通过对实际刚架拱桥进行检测、评定、加固可(上接第58页)

增加,当斜交角从15󰀁变化为45󰀁时,其最大剪力滞系数从1󰀁55增加到2󰀁0以上;而当斜交角增大到45󰀁以上时,单箱多室斜箱梁的支座附近截面剪力滞效应的增大更加明显,最大剪力滞系数显著增加。

收稿日期:2011󰀁04󰀁20

响不明显;但是当斜交角在45󰀁至60󰀁范围内变化时,其剪力滞效应显著增加。对于支座附近截面,斜交角在研究范围内的变化均对其剪力滞效应有显著影响,并且随着斜交角的增加,剪力滞效应越发明显。

5󰀁结论

(1)单箱多室斜交桥的剪力滞效应和相应的正交桥相比差异很大,尤其是在支座附近位置,其最大剪力滞系数远大于正交桥。同时,在桥梁计算和

设计过程中应重点关注负剪力滞现象。

(2)计算表明,单箱多室斜交箱梁桥的剪力滞效应与箱梁的宽高比有关。就箱梁的跨中截面而言,宽高比对其剪力滞的影响较小,而支座附近截面的剪力滞效应则会随着宽高比的增大而显著改变。对于斜交箱梁的跨中截面和支座附近截面来说,随着宽高比的增加其剪力滞效应越发明显。(3)分析表明,斜交角是影响单箱多室斜交箱梁桥剪力滞效应的活跃参数。对于跨中截面,斜交角在45󰀁以下范围内变化时,对其剪力滞效应的影

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参考文献

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