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        非對(duì)稱(chēng)荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)研究

        2016-07-05 00:54:56黃文雄楊先凡鄭傳奇長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院
        廣東建材 2016年6期
        關(guān)鍵詞:有限元分析橋梁工程影響因素

        黃文雄 楊先凡 王 鵬 鄭傳奇 郭 展(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院)

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        非對(duì)稱(chēng)荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)研究

        黃文雄楊先凡王鵬鄭傳奇郭展
        (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院)

        【摘要】為研究非對(duì)稱(chēng)荷載對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響,選定典型結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱形梁,以Ansys有限元分析軟件為工具,采用分離式模型,建立了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁有限元模型。對(duì)比分析了對(duì)稱(chēng)荷載與非對(duì)稱(chēng)荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的差異,并重點(diǎn)分析了非對(duì)稱(chēng)荷載作用下箱梁寬跨比、跨高比、預(yù)應(yīng)力大小等參數(shù)對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明:非對(duì)稱(chēng)荷載作用下剪力滯系數(shù)大小明顯高于對(duì)稱(chēng)荷載;寬跨比對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)影響最大,且其對(duì)頂?shù)装逵绊懘篌w相當(dāng);隨著跨高比的增大,箱梁頂板、底板其剪力滯系數(shù)均逐漸減小,且頂板的變化更加顯著;預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng),加大底板剪力滯效應(yīng)。

        【關(guān)鍵詞】橋梁工程;剪力滯效應(yīng);有限元分析;預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁;非對(duì)稱(chēng)荷載;影響因素

        “剪力滯效應(yīng)”是指翼緣較寬的箱型梁由于翼板中的剪切變形導(dǎo)致縱向正應(yīng)力沿翼板寬度呈不均勻分布,其間存在傳力的滯后現(xiàn)象?!凹袅?yīng)”的存在將會(huì)使混凝土箱梁局部位置產(chǎn)生應(yīng)力集中,甚至開(kāi)裂;若忽略剪力滯的影響,就會(huì)低估箱梁結(jié)構(gòu)實(shí)際產(chǎn)生的應(yīng)力,從而造成結(jié)構(gòu)的不安全[1-3]。

        目前,關(guān)于荷載對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的研究主要是對(duì)稱(chēng)集中荷載與均布荷載,并取得了較多的成果,但是實(shí)際橋梁的受力狀態(tài)較復(fù)雜,并不全是對(duì)稱(chēng)荷載作用,更多的是非對(duì)稱(chēng)荷載作用[4-6]。因此,很有必要對(duì)非對(duì)稱(chēng)荷載下的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)進(jìn)行研究,以更好的服務(wù)于工程實(shí)際。

        1 箱梁有限元分析模型的建立與結(jié)果分析

        1.1箱梁有限元分析模型的建立

        基于實(shí)際工程中箱型梁橋典型結(jié)構(gòu)與尺寸的分析,箱梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁,計(jì)算跨徑為30m,外荷載采用集中荷載的形式,分別施加于單側(cè)箱梁腹板頂面(非對(duì)稱(chēng)荷載)或雙側(cè)箱梁腹板頂面(對(duì)稱(chēng)荷載)。

        基于ANSYS有限元分析軟件,采用精細(xì)化建模技術(shù)與參數(shù)化建模方法進(jìn)行建模[7-9]。模型采用分離式模型,采用切分法準(zhǔn)確確定預(yù)應(yīng)力筋的具體位置,預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加[10-12]。鋼筋混凝土采用SOLID65單元來(lái)模擬,預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元來(lái)模擬。箱梁基本尺寸與所建有限元模型如圖1所示。

        圖1 箱梁基本尺寸與有限元模型分析示意圖(單位:cm)

        1.2對(duì)稱(chēng)荷載與非對(duì)稱(chēng)荷載作用下箱梁剪力滯效應(yīng)

        分別在單側(cè)箱梁腹板頂面與雙側(cè)箱梁腹板頂面各施加P=10kN的集中力,得到非對(duì)稱(chēng)荷載與對(duì)稱(chēng)荷載作用下箱梁跨中截面剪力滯系數(shù)變化規(guī)律,如圖2所示。

        由圖2可知:非對(duì)稱(chēng)荷載作用下,箱梁頂板最大剪力滯系數(shù)在荷載作用側(cè)腹板與頂板交界處有最大值為2.169,朝兩邊逐漸減小,另一側(cè)頂板邊緣剪力滯系數(shù)最小值為0.640;箱梁底板最大剪力滯系數(shù)從荷載作用側(cè)向另外一側(cè)逐漸減小,在荷載作用側(cè)最大值為1.539,另一側(cè)最小值為0.672。而在對(duì)稱(chēng)荷載作用下,其剪力滯效應(yīng)呈對(duì)稱(chēng)分布,且其最大與最小剪力滯效應(yīng)都相對(duì)更弱。

        圖2 非對(duì)稱(chēng)荷載與對(duì)稱(chēng)荷載作用下箱梁頂板、底板剪力滯系數(shù)

        2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下剪力滯效應(yīng)分析

        影響箱梁剪力滯效應(yīng)的參數(shù)較多,本文主要分析非對(duì)稱(chēng)荷載作用下寬跨比、跨高比、預(yù)應(yīng)力大小對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的影響程度。

        2.1寬跨比對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的影響

        箱梁的計(jì)算跨徑為30m,考慮寬跨比(B/L)分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8時(shí)箱梁頂板及底板最大剪力滯系數(shù)變化。

        圖3 不同寬跨比下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢(shì)

        圖4 不同跨高比時(shí)箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢(shì)

        由圖3可知:在非對(duì)稱(chēng)荷載作用下,隨著寬跨比的增大,無(wú)論底板還是頂板剪力滯效應(yīng)系數(shù)均大致呈線性增加,且其對(duì)頂?shù)装逵绊懘篌w相當(dāng)。當(dāng)寬跨比由0.2變到0.8時(shí),頂板的剪力滯系數(shù)由1.560增大到3.725,增加了約138.8%;底板的剪力滯系數(shù)由1.223增大到3.345,增加了約137.5%。

        2.2跨高比對(duì)箱梁剪力滯系數(shù)的影響

        箱梁的計(jì)算跨徑為30m,考慮跨高比(L/H)分別為12、10、8、6、4時(shí)箱梁頂板及底板的最大剪力滯系數(shù)變化。

        由圖4可知:在非對(duì)稱(chēng)荷載作用下,隨著跨高比的增大,無(wú)論是箱梁的頂板還是底板其剪力滯系數(shù)均逐漸減小,但其對(duì)頂板的影響更加顯著。當(dāng)跨高比由4增大到12時(shí),頂板剪力滯系數(shù)由3.13減小到1.933,減小了約38.2%;底板剪力滯系數(shù)由1.572減小到1.519,減小了了約3.4%。

        圖5 不同預(yù)應(yīng)力作用下箱梁跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)變化趨勢(shì)

        2.3預(yù)應(yīng)力大小對(duì)箱梁剪力滯系數(shù)的影響

        分別設(shè)置預(yù)應(yīng)力大小為:0kN、1kN、2kN、3kN、4kN、5kN,保持其他參數(shù)不變,得到不同預(yù)應(yīng)力作用下的箱梁頂板及底板的最大剪力滯系數(shù)變化圖。

        由圖5可知:當(dāng)不施加預(yù)應(yīng)力時(shí),頂板剪力滯系數(shù)最大為2.172,底板剪力滯系數(shù)最小為1.499。隨著預(yù)應(yīng)力的增大,頂板的剪力滯系數(shù)大致呈線性減少,底板剪力滯系數(shù)越來(lái)越大。當(dāng)預(yù)應(yīng)力增大到5kN時(shí),頂板剪力滯系數(shù)減小了約12.3%,底板剪力滯系數(shù)增大了約53.2%。故而,預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng),加大底板剪力滯效應(yīng);且對(duì)底板的剪力滯效應(yīng)影響要比頂板更明顯。

        3 結(jié)論

        基于ANSYS有限元軟件及建立的精細(xì)化有限元分析模型,通過(guò)對(duì)非對(duì)稱(chēng)荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)分布與變化規(guī)律的分析,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

        ⑴在相同大小的對(duì)稱(chēng)荷載與非對(duì)稱(chēng)荷載作用下,非對(duì)稱(chēng)荷載對(duì)箱梁頂板的剪力滯效應(yīng)影響要比對(duì)稱(chēng)荷載作用下更加明顯。

        ⑵非對(duì)稱(chēng)荷載作用下,寬跨比對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的影響最大;隨著寬跨比的增大,無(wú)論底板還是頂板剪力滯系數(shù)均大致呈線性增加,且其對(duì)頂?shù)装逵绊懘篌w相當(dāng)。

        ⑶非對(duì)稱(chēng)荷載作用下,隨著跨高比的增大,無(wú)論是箱梁的頂板還是底板其剪力滯系數(shù)均逐漸減小,但其對(duì)頂板的影響更加顯著。

        ⑷非對(duì)稱(chēng)荷載作用下,預(yù)應(yīng)力在一定程度上可以減小頂板剪力滯效應(yīng),加大底板剪力滯效應(yīng);且對(duì)底板的剪力滯效應(yīng)影響要比頂板更明顯?!?/p>

        【參考文獻(xiàn)】

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        [3]劉揚(yáng).薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)的研究[D].重慶交通大學(xué),2013.

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        *基金項(xiàng)目:大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(104892014002)

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