鄒建波，趙人達(dá)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

曲線箱梁橋在城市橋梁中應(yīng)用普遍，常見(jiàn)于城市立交橋中或者地形條件受限制的橋位處，具有線形美觀、行車舒適、適應(yīng)地形等優(yōu)點(diǎn)。曲線梁橋的支承形式多種多樣，不同支承形式對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響非常大[1]。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，單跨彎橋的典型支承形式有4種:靜定中心支承、靜定偏心支承、超靜定中心支承、超靜定偏心支承，見(jiàn)圖1。箱梁受豎向作用后，由于翼緣板平面內(nèi)剪切變形的影響，使其縱向彎曲正應(yīng)力的分布呈現(xiàn)不均勻性，產(chǎn)生剪力滯效應(yīng)。尤其在大曲率彎橋中，這一差異更加明顯。

圖1 單跨彎橋常用支承形式

波形鋼腹板曲線箱梁橋類似于普通箱梁橋，其抗扭剛度稍低。許多學(xué)者對(duì)普通PC曲線箱梁的剪力滯效應(yīng)做了大量研究，但在分析波形鋼腹板PC曲線箱梁剪力滯效應(yīng)方面獲得的成果不多[2-9]。羅旗幟等[10]建立了薄壁曲線箱梁的有限元模型，比較了箱梁剪力滯系數(shù)的理論計(jì)算值和模型試驗(yàn)值，分析了有無(wú)角隅承托等因素對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的影響；任大龍等[11]針對(duì)橫隔板的位置和數(shù)量對(duì)波形鋼腹板曲線箱梁頂板內(nèi)外沿的縱向正應(yīng)力作了系統(tǒng)的研究；盧海林等[12]在討論了移動(dòng)荷載和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)變化對(duì)曲線箱梁剪力滯效應(yīng)的影響規(guī)律后，給出了計(jì)算曲線箱梁剪力滯系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。本文主要圍繞不同支承形式對(duì)波形鋼腹板曲線箱梁的剪力滯效應(yīng)的影響開(kāi)展研究。

1 有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS建立曲率半徑為50 m，圓心角為30°的單跨波形鋼腹板PC曲線箱梁的力學(xué)模型。箱梁梁高為 2 m，頂板寬 6 m，懸臂長(zhǎng)1.25 m，底板寬3.5 m，頂、底板厚0.25 m的單箱單室截面。兩端設(shè)厚度為0.8 m的端隔板。波形鋼腹板厚為1 cm，波長(zhǎng)0.9 m，直幅寬0.25 m，斜幅寬0.2 m，波高0.12 m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C55，采用二次單元Solid95模擬。鋼腹板為Q345C優(yōu)質(zhì)低碳鋼，使用板單元Shell63模擬?；炷两Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)格為近似正方體、翼緣板高度方向劃分成4個(gè)單元。鋼腹板在混凝土頂、底板和隔板處共用節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2所示。

圖2 波形鋼腹板曲線箱梁有限元模型

2 單跨曲線箱梁的剪力滯效應(yīng)

2.1 典型截面應(yīng)力橫向分布

圖3是跨中集中荷載下跨中截面縱向正應(yīng)力沿橫向的分布，圖4是全橋分布荷載下跨中截面縱向正應(yīng)力沿橫向的分布，坐標(biāo)原點(diǎn)在曲線箱梁內(nèi)側(cè)，x軸沿箱梁寬度方向。

圖3 集中荷載下跨中截面縱向正應(yīng)力沿橫向的分布

圖4 全橋分布荷載下跨中截面縱向正應(yīng)力沿橫向的分布

從圖3可以看出:單跨曲線箱梁在跨中截面的縱向正應(yīng)力橫向分布規(guī)律是翼緣板的應(yīng)力峰值出現(xiàn)在與腹板連接處，且應(yīng)力沿著橫向迅速降低，如典型的正剪力滯效應(yīng)。4種常見(jiàn)支承形式下，應(yīng)力的分布趨勢(shì)完全一致，應(yīng)力在數(shù)值上相差也很小，靜定中心支承下應(yīng)力水平最低，超靜定偏心支承下應(yīng)力水平最高，內(nèi)側(cè)應(yīng)力為-2.31 MPa，外側(cè)應(yīng)力為-2.14 MPa。內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差值為7.36%。底板的縱向正應(yīng)力在兩側(cè)最大，中心最小。所有邊界條件中，靜定中心支承應(yīng)力最??；超靜定偏心支承應(yīng)力最大，內(nèi)側(cè)應(yīng)力為1.71 MPa，大于外側(cè)應(yīng)力1.28 MPa。內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差值為25.12%。底板應(yīng)力在內(nèi)側(cè)要大于外側(cè)，底板應(yīng)力不均勻程度更嚴(yán)重。

從圖4可以看出:單跨曲線箱梁在分布荷載下內(nèi)側(cè)應(yīng)力要顯著高于外側(cè)，最大值出現(xiàn)在頂板與內(nèi)側(cè)腹板的交點(diǎn)位置。頂板的應(yīng)力水平要低于底板。在4種常見(jiàn)支承形式下，靜定中心支承的平均應(yīng)力最小，其次是超靜定中心支承，再次是超靜定偏心支承，最大的是靜定偏心支承。

2.2 剪力滯系數(shù)縱向分布

以梁端為坐標(biāo)原點(diǎn)，曲線箱梁的中軸線為x軸，剪力滯系數(shù)為y軸，得到單跨曲線箱梁的剪力滯系數(shù)沿縱向的分布，如圖5和圖6所示。

圖5 靜定支承下剪力滯系數(shù)沿縱向的分布

圖6 超靜定支承下剪力滯系數(shù)沿縱向的分布

從圖5和圖6可以看出:集中荷載作用下，翼緣板的剪力滯系數(shù)在跨中截面最大(集中荷載作用截面)，沿縱向迅速減少，而后趨于平緩，在靠近支承處又急速增大。由于靠近支承處的彎矩值較小，過(guò)大的剪力滯系數(shù)導(dǎo)致的應(yīng)力集中程度并不嚴(yán)重。靜定中心支承、靜定偏心支承、超靜定中心支承、超靜定偏心支承下跨中截面的最大剪力滯系數(shù)依次為1.93，1.90，1.90，1.85。分布荷載作用下，剪力滯系數(shù)沿縱向變化相對(duì)平緩，從跨中沿縱向逐漸減小，在臨近支承處剪力滯系數(shù)顯著增加。在4種支承形式下，跨中控制截面的剪力滯系數(shù)均在1.16左右，差異較小。內(nèi)側(cè)的剪力滯系數(shù)要大于外側(cè)，因此，應(yīng)該加強(qiáng)內(nèi)側(cè)配筋。

3 結(jié)論

1)單跨曲線箱梁在跨中集中荷載作用下，頂板應(yīng)力峰值出現(xiàn)在翼緣板與腹板連接處，底板應(yīng)力內(nèi)側(cè)大于外側(cè)，頂?shù)装鍛?yīng)力均在靜定中心支承下最小。

2)單跨曲線箱梁在分布荷載作用下內(nèi)側(cè)應(yīng)力要顯著高于外側(cè)，頂板的應(yīng)力水平要低于底板。在4種常見(jiàn)支承形式下，靜定中心支承的平均應(yīng)力最小。

3)單跨波形鋼腹板曲線箱梁在集中荷載作用下，靜定中心支承、靜定偏心支承、超靜定中心支承、超靜定偏心支承對(duì)應(yīng)的最大剪力滯系數(shù)分別為1.93，1.90，1.90，1.85。在分布荷載作用下，4種支承對(duì)應(yīng)的跨中控制截面的剪力滯系數(shù)均在1.16左右，差異較小。