葉如

（寧波軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波　315100）

大挑臂寬扁混凝土箱梁空間應(yīng)力分析

葉如

（寧波軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波315100）

以目前城市高架橋梁中常見的大挑臂寬扁斷面方案為主要研究對象，對其縱向正應(yīng)力的全斷面分布進(jìn)行有限元分析，得出正應(yīng)力分布規(guī)律，從而指導(dǎo)工程設(shè)計。

大挑臂；寬扁；混凝土箱梁；應(yīng)力分析

0　引言

近十多年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，貨物和人的交通運輸需求日益增加，城市高架道路建設(shè)在全國各地全面鋪開。城市高架道路上的橋梁由于景觀需求，橋梁上部結(jié)構(gòu)往往會采用大挑臂、斜腹板斷面形式。

圖1、圖2所示為城市高架中較為常用的斷面形式。該方案主線標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)頂寬25.2 m，底寬11.0 m，挑臂長4.0 m。斷面頂面橫坡為雙向2%，底面水平，道路中心線處梁高2.2 m?？缰袛嗝骓敯搴?.25 m，底板厚0.22 m，腹板厚0.4 m；墩頂斷面頂板厚0.25 m，底板厚0.40 m，腹板厚0.7 m。為達(dá)到大懸臂的效果，采用斜度較大且為弧線型的外腹板?？紤]這種外腹板受力復(fù)雜且剪力傳遞效率較差［1］，故減小其厚度，弱化其抗剪作用，而單純地作為支撐邊挑臂的加勁撐桿之用。

圖1　橋墩處橫斷面圖（單位：cm）

這種大挑臂、斜腹板的斷面形式使得橋梁上下部結(jié)構(gòu)渾然一體，減少壓迫感。但是從結(jié)構(gòu)受力方面來分析，過大的挑臂和斜度較大的腹板，不但使得結(jié)構(gòu)橫向受力變復(fù)雜（大于2.5 m的挑臂使得規(guī)范檢算公式不再適用，大斜度的腹板使頂板變?yōu)槔瓘潣?gòu)件），而且使得結(jié)構(gòu)縱向正應(yīng)力全斷面分布不再復(fù)合初等梁理論［2］。本文就以縱向正應(yīng)力的全斷面分布為切入點對箱梁進(jìn)行空間應(yīng)力分析。

1　分析概況

高架工程設(shè)計中最為典型的上部結(jié)構(gòu)為30 m+ 30 m+30 m的連續(xù)梁，故以此三跨一聯(lián)的連續(xù)梁作為本文的研究對象。為了簡化計算，只建立半橋模型。半橋幾何模型如圖3所示。

梁體結(jié)構(gòu)中混凝土部分采用Solid65實體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用link8單元模擬，并通過設(shè)置link8單元的初應(yīng)變來施加預(yù)應(yīng)力［3］。在支座位置和跨中斷面施加相應(yīng)的邊界條件。有限元模型見圖4，鋼束模型見圖5。

對于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，恒載基本占其總荷載的60%以上，而汽車活載一則比例稍小，二則可通過乘以1.1～1.5的不均勻系數(shù)加以考慮，因此本文未作考慮，僅計恒載工況，具體考察工況如下：

（1）恒載（含二期恒載）

（2）恒載（含二期恒載）+預(yù)應(yīng)力

2　分析結(jié)果

分析結(jié)果同時提供在上述兩種荷載工況下邊墩墩頂、邊跨跨中、中墩墩頂和中跨跨中斷面的正應(yīng)力，斷面位置見圖6。

圖2　跨中斷面圖（單位：cm）

圖3　半橋幾何模型圖

圖4　半橋有限元模型圖

圖5　預(yù)應(yīng)力鋼束圖

圖6　應(yīng)力分析斷面位置示意圖（單位：cm）

2.1恒載（含二期恒載）

恒載（含二期恒載）作用下各斷面應(yīng)力結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7　半橋應(yīng)力圖（一）

圖8　各斷面應(yīng)力圖（一）

從以上計算結(jié)果可以看出：在恒載作用下，各斷面頂板縱向正應(yīng)力橫向分布極不均勻，可見大挑臂扁平箱梁在彎矩作用下剪力滯效應(yīng)極為明顯，最大剪力滯系數(shù)可達(dá)1.8左右（不考慮梁端1-1斷面局部應(yīng)力紊亂區(qū)），且在墩頂附近挑臂端部應(yīng)力大于腹板附近應(yīng)力，即出現(xiàn)負(fù)剪力滯現(xiàn)象。表1為恒載工況下各斷面應(yīng)力分析表。

2.2恒載（含二期恒載）+預(yù)應(yīng)力

恒載（含二期恒載）+預(yù)應(yīng)力作用下各斷面應(yīng)力結(jié)果如圖10～圖12所示。

從以上計算結(jié)果可以看出：在恒載和預(yù)應(yīng)力作用下，除梁端（1-1斷面）局部傳力區(qū)外，各斷面頂板縱向正應(yīng)力橫向分布較不均勻，但較恒載作用下有明顯改善，最大剪力滯系數(shù)為1.3左右。其原因主要是預(yù)應(yīng)力的軸力效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理，軸向集中力經(jīng)過一定的擴(kuò)散區(qū)域后可在全斷面較為均勻地分布。因此，當(dāng)用初等梁理論計算預(yù)應(yīng)力箱梁時，正如《公路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的那樣，對于計算軸向力引起正應(yīng)力時宜采用全斷面，而計算彎矩引起正應(yīng)力時應(yīng)采用考慮有效寬度后斷面［4］。表2為恒載+預(yù)應(yīng)力工況下各斷面應(yīng)力分析表。

表1　恒載工況下各斷面應(yīng)力分析表　MPa

圖9　各斷面頂、底板正應(yīng)力橫向分布圖（單位：MPa，m）

圖10　半橋應(yīng)力圖（二）

圖11　各斷面應(yīng)力圖（二）

圖12　各斷面頂、底板正應(yīng)力橫向分布圖（二）（單位：MPa，m）

表2　恒載+預(yù)應(yīng)力工況下各斷面應(yīng)力分析表　MPa

3　結(jié)語

梁是一種一個維度方向的尺度遠(yuǎn)大于另外兩個維度方向尺度的構(gòu)件，而大挑臂扁平箱梁橫向尺度幾乎和軸向的尺度接近，已不滿足作為梁構(gòu)件的前提，因此大挑臂扁平箱梁分析時應(yīng)充分考慮縱向正應(yīng)力在橫向的不均勻分布。根據(jù)該工程的計算分析，當(dāng)大挑臂扁平箱梁作為鋼筋混凝土構(gòu)件時，最大剪力滯系數(shù)可達(dá)1.8，故應(yīng)進(jìn)行較為精細(xì)的分析以保證設(shè)計安全；當(dāng)大挑臂扁平箱梁作為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件時，正應(yīng)力不均勻性不是很明顯，根據(jù)規(guī)范或相關(guān)文獻(xiàn)的資料來計算即可達(dá)到工程設(shè)計的精度。

［1］許慧峰，應(yīng)天益.預(yù)應(yīng)力混凝土弧形腹板箱梁空間受力分析［J］.上海公路，2012（1）：32-35.

［2］徐科英.預(yù)應(yīng)力混凝土弧形底多箱室梁結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計方法研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

［3］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

U441+.5

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1009-7716（2016）07-0133-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.039

2016-04-11

葉如（1985-），男，浙江寧波人，工程師，從事市政工程建設(shè)工作。