江阿蘭，王述濤

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

變截面連續(xù)箱梁鐵路橋的剪力滯效應(yīng)分析

江阿蘭，王述濤

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

利用有限元分析軟件ANSYS對列車和橋梁組成的系統(tǒng)進行模擬，建立變截面連續(xù)箱橋模型，研究了列車荷載作用下該梁橋的剪力滯效應(yīng).結(jié)果表明：在列車靜荷載作用下，橋梁截面頂板和底板，均在與腹板交接處出現(xiàn)了截面最大應(yīng)力，是正剪力滯效應(yīng)，但在中跨根部底板出現(xiàn)了負剪力滯效應(yīng).在列車動荷載作用下,同一位置剪力滯系數(shù)的變化幅度較??；而且無論是頂板還是底板，總有剪力滯系數(shù)變化相反的位置出現(xiàn)，即一個區(qū)域的剪力滯系數(shù)升高，必會引起某一區(qū)域的剪力滯系數(shù)減小.

ANSYS；變截面連續(xù)箱梁橋；剪力滯效應(yīng)；列車靜載；列車動載

0 引言

箱形截面梁[1]具有良好的結(jié)構(gòu)性能,如:結(jié)構(gòu)輕、自重小;截面抗彎抗扭剛度大,頂板和底板能有效地抵抗正負彎矩,適應(yīng)連續(xù)梁和剛構(gòu)等橋梁結(jié)構(gòu),能采用懸臂拼裝、懸臂澆筑、頂推等施工方法,滿足現(xiàn)代橋梁大跨度的要求.因此,箱形截面梁在國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到廣泛地應(yīng)用和推廣.但箱梁在承受對稱彎曲荷載時,翼板將產(chǎn)生剪切變形,導(dǎo)致翼板上的正應(yīng)力沿寬度方向呈不均勻分布,其間存在剪力滯效應(yīng).薄壁箱梁橋的剪力滯后效應(yīng)是引起混凝土箱梁開裂的原因之一，忽略剪力滯效應(yīng)的影響，就會低估箱梁腹板和翼板交接處的撓度和應(yīng)力[2- 5].許多學(xué)者對箱梁橋的剪滯效應(yīng)進行了大量研究，程海根[6]等對薄壁箱梁的剪力滯效應(yīng)進行了理論分析和試驗研究，得到了集中荷載作用下的剪力滯系數(shù)要大于均布荷載作用下的值；韋成龍[7]等對變截面連續(xù)箱梁橋剪力滯進行了研究，并對剪切變形雙重效應(yīng)分析的傳遞矩陣法進行了分析.莫金利[8]等對車輛荷載下預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋的剪力滯效應(yīng)進行了研究，得出了車輛動荷載作用下不同參數(shù)對剪力滯的影響.已有的研究成果多數(shù)是靜荷載作用下對等截面箱梁橋的剪力滯效應(yīng)的研究，包括集中荷載和均布荷載.對于變截面連續(xù)箱梁橋橋的剪力滯效應(yīng)的研究還不多，尤其是列車荷載作用下的剪力滯效應(yīng)的研究更少.

剪力滯的研究方法主要有：彈性理論解法、比擬桿法、變分法、數(shù)值法、模型試驗法[9].隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值分析法在剪力滯分析中占有越來越重要的地位.本文將采用數(shù)值分析方法，利用有限元分析軟件ansys對列車荷載下的變截面連續(xù)橋梁剪力滯效應(yīng)進行分析.

1 模型建立

以某快速鐵路橋為研究對象，計算跨度為80.6+128+80.6 m，梁體截面采用單箱單室，變高度，變截面直腹板形式.梁體采用C50混凝土，封端采用C50無收縮混凝土，主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，有限元模型采用solid65單元模擬混凝土，link8單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加，其1/2有限元模型如圖1所示.列車假設(shè)為YZ25K空調(diào)硬座客車，按照客車標準編組15節(jié)車廂(408 m)，軸重8.65 t，設(shè)計速度160 km/h.

圖1 1/2有限元模型

2 數(shù)值結(jié)果及分析

2.1 靜載作用下剪力滯效應(yīng)

根據(jù)橋梁的實際情況，當(dāng)列車全部行駛到橋面上時對橋梁影響最大，選擇此刻為最不利的情況加載，即沿橋長布置雙軌道列車荷載，并將荷載簡化為均布荷載沿橋梁縱向加載.荷載加載圖如圖2和圖3所示.

圖2 1/2縱向加載圖

圖3 橫向加載圖

加載完畢后，進入后處理，分別取邊跨1/2截面(截面A)、邊跨1/4截面(截面B)、邊跨根部(截面C)、中跨根部(截面D)、中跨1/4截面(截面E)、中跨1/2截面(截面F)為研究對象，如圖4所示.為了方便地描述箱形梁剪力滯效應(yīng)的影響程度，工程上引入剪力滯系數(shù)的概念，它是衡量剪力滯效應(yīng)大小的主要指標.即:

圖4 橋梁平面布置

將截面彎曲應(yīng)力換算成剪力滯系數(shù)，進行整理分析.分析結(jié)果如圖5～圖6.

(a)頂板

(b)底板

(a)頂板

(b)底板

由于模型是直線箱梁，而且作用的是對稱荷載，所以數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的對稱性，并且我們可以從圖中歸納得到以下結(jié)論：

(1)無論是頂板還是底板，腹板處的應(yīng)力要大于翼緣處的應(yīng)力和中心線處的應(yīng)力，均為正剪力滯效應(yīng).但在中跨根部截面(D截面)底板處發(fā)生了負剪力滯效應(yīng)，這是因為在墩部兩側(cè)腹板處的預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的附加彎矩和外力產(chǎn)生的彎矩異號，導(dǎo)致底板腹板處的應(yīng)力值小于中線處的應(yīng)力值，出現(xiàn)了負彎矩;

(2)模型中存在大量的預(yù)應(yīng)力鋼筋，從圖5和圖6中可以看出，剪力滯系數(shù)沿橫向位置的變化中，出現(xiàn)了一些剪力滯系數(shù)變小的點，與模型比較后，在這些點的位置均有預(yù)應(yīng)力鋼筋的存在，說明預(yù)應(yīng)力筋可以減小截面的剪力滯效應(yīng).因此，工程可以在截面應(yīng)力較大的位置或者容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置合理的布置預(yù)應(yīng)力鋼筋.

2.2 動荷載下的剪力滯效應(yīng)

動荷載的時程區(qū)間選擇為車頭駛上橋梁(t=1 s)至車尾離開橋梁(t=17 s)，荷載速度選擇列車的設(shè)計速度160 km/h，取與靜荷載分析一致的截面為研究對象，對各截面1#點至5#點的剪力滯系數(shù)隨時間的變化進行了分析，如圖7所示，各截面的的分析結(jié)果，如圖8所示.

圖7 橋梁橫斷面圖

(a)中跨1/2截面 (b)中跨1/4截面

(c)中跨根部 (d)邊跨根部

(e)邊跨1/4截面 (f)邊跨1/2截面

圖8 各截面的剪力滯系數(shù)變化

經(jīng)過對各截面的分析 ，可以得到：

(1)從圖8中可以看出，在列車動荷載作用下，同一位置剪力滯系數(shù)的變化幅度不大，這說明對于大跨度橋梁來說，結(jié)構(gòu)自重對橋梁的影響主要的，外荷載對橋梁產(chǎn)生的應(yīng)力是次要的，即橋梁的剪力滯效應(yīng)主要由結(jié)構(gòu)本身來決定.在進行橋梁設(shè)計時，選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)和合理的預(yù)應(yīng)力筋布置是解決橋梁剪力滯效應(yīng)的關(guān)鍵;

(2)在動荷載作用下，無論是頂板還是底板，當(dāng)某一區(qū)域的剪力滯系數(shù)增大時，必有剪力滯系數(shù)減小的位置出現(xiàn)，反之亦然.這是因為：當(dāng)某個位置的剪力滯系數(shù)增大時，就意味著該位置的彎曲應(yīng)力值相對于初等梁理論算出的應(yīng)力值來說是增大的，剪力滯后現(xiàn)象就變得明顯，導(dǎo)致向其他位置傳遞的應(yīng)力值相對于初等梁理論的應(yīng)力值變小，剪力滯系數(shù)也就跟著變小，反之亦然.

3 結(jié)論

本文主要采用有限元軟件ANSYS對變截面連續(xù)箱梁橋在列車荷載下的剪力滯效應(yīng)進行研究，分別分析了在列車靜載和列車動載作用下的剪力滯效應(yīng).結(jié)果表明：在列車靜荷載作用下，橋梁各截面的剪力滯分布規(guī)律近似，截面應(yīng)力從腹板出向兩側(cè)逐漸減小，均為正剪力滯效應(yīng)，但在中跨根部底板出現(xiàn)了負剪力滯效應(yīng)；由于預(yù)應(yīng)力筋的作用，剪力滯系數(shù)沿橫向位置的變化中，出現(xiàn)了一些剪力滯系數(shù)變小的點，與模型比較后，這些點的位置均有預(yù)應(yīng)力鋼筋的存在，說明適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力鋼筋可以減小截面的剪力滯效應(yīng).工程可以在截面應(yīng)力較大的位置或者容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置合理的布置預(yù)應(yīng)力鋼筋.在列車動荷載作用下，同一位置剪力滯系數(shù)的變化幅度不大，這說明對于大跨度橋梁來說，結(jié)構(gòu)自重對橋梁的影響主要的，外荷載對橋梁產(chǎn)生的應(yīng)力是次要的，即橋梁的剪力滯效應(yīng)主要由結(jié)構(gòu)本身來決定；各截面無論頂板還是底板，總有剪力滯系數(shù)變化相反的位置出現(xiàn)，即一個區(qū)域的剪力滯系數(shù)升高，必會引起某一區(qū)域的剪力滯系數(shù)減小.所以，在進行橋梁設(shè)計時，我們應(yīng)該通過選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)和合理的預(yù)應(yīng)力筋布置來減小橋梁剪力滯效應(yīng).

[1]張元海,白昕,林麗霞.箱形梁剪力滯效應(yīng)的改進分析方法研究[J].土木工程學(xué)報，2012(11):153- 158.

[2]藺鵬臻,周世軍.基于剪切變形規(guī)律的箱梁剪力滯效應(yīng)研究[J].鐵道學(xué)報，2011(4):100- 104.

[3]曾清林,羅旗幟,符鋅砂.薄壁直線箱梁的動力響應(yīng)研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2012(1):40- 43.

[4]趙洪蛟.大跨徑鋼拱橋幾何非線性分析及其扁平鋼箱梁剪力滯效應(yīng)研究[D].蘭州：蘭州大學(xué),2011.

[5]陳長華,張元海.剪力滯翹曲位移函數(shù)對箱形梁撓度的影響[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2010(4):91- 94.

[6]程海根.薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)理論分析與試驗研究[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

[7]韋成龍,李斌,曾慶元.變截面連續(xù)箱梁橋剪力滯及剪切變形雙重效應(yīng)分析的傳遞矩陣法[J].工程力學(xué)，2008(9):111- 117.

[8]莫金利.車輛動荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋剪力滯效應(yīng)分析[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2013.

[9]藺鵬臻.混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的分析理論與應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2011.

Analysis of Shear Lag Effect to Variable Cross-Section Continuous Box Girder Railway Bridge

JIANG Alan,WANG Shutao

(School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

By using finite element analysis software ANSYS to simulate the system of train and the bridge,the variable cross-section continuous box bridge model is constructed,and the shear lag effect of variable cross-section continuous box girder bridge is studied under the train loads.Results indicate that under the static train loads,the maximum stress of cross section usually appears at the junction of the web and the flange on both roof and floor of the bridge.Howerer,the negative shear lag effect occurs at the floor of midspan root.Under dynamic train loads,the change of the shear lag coefficient at the same location is small.On both of roof and floor,there are always the positions whose shear lag coefficients change on the contrary,that is to say,the increases of the shear lag coefficient on an area will cause a certain decrease of shear lag coefficient on another area.

ANSYS;variable cross-section continuous box girder bridge;shear lag effects;the static train loads;the dynamic train load

1673- 9590(2017)04- 0151- 04

2016- 03- 13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508066)

江阿蘭(1975-)，女，教授，博士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析、損傷診斷方面的研究E-mail:1129820676@qq.com.

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