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        變截面懸臂箱梁剪力滯效應(yīng)研究

        2020-10-13 02:45:10汪永強(qiáng)
        北方交通 2020年10期
        關(guān)鍵詞:箱梁效應(yīng)

        汪永強(qiáng)

        (山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司) 太原市 030027)

        0 引言

        混凝土箱梁具有抗彎抗扭剛度大、整體澆筑施工方便和可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因而在國內(nèi)外橋梁建設(shè)中廣泛使用[1]。在實(shí)際工程中忽略箱梁剪力滯效應(yīng),將會(huì)對(duì)箱梁的抗彎剛度數(shù)值產(chǎn)生較大的偏差,導(dǎo)致箱梁撓度值偏小。箱梁由于受剪力滯效應(yīng)影響,其受力狀態(tài)非常復(fù)雜,會(huì)造成箱梁翼緣板和腹板交接處的應(yīng)力和撓度大大增加,產(chǎn)生裂縫,從而造成結(jié)構(gòu)安全隱患[2]。因此,對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)的研究非常重要。

        國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)剪力滯問題進(jìn)行了深入的研究,提出了許多理論和計(jì)算方法,主要有能量變分法、比擬桿法和有限元法[3-4]。能量變分法具有推理明晰、適合手算等優(yōu)點(diǎn),但其計(jì)算精度依賴于假定的梁位移函數(shù);比擬桿法具有力學(xué)概念簡明、計(jì)算模型簡單等優(yōu)點(diǎn),但其計(jì)算精度依賴于微分方程組的數(shù)值求解精度。前二種方法因?yàn)榫葐栴},其使用范圍受到一定的限制,而有限元法借助計(jì)算機(jī)技術(shù)可以完美地解決精度問題,因此,有限元法在箱梁剪力滯效應(yīng)分析中具有重要的地位[5]。

        針對(duì)變截面懸臂箱梁,利用有限元法,借助Midas/Civil軟件和ANSYS軟件研究寬跨比、寬高比和承托對(duì)變截面懸臂箱梁剪力滯效應(yīng)的影響規(guī)律,為變截面懸臂箱梁的設(shè)計(jì)和施工提供理論基礎(chǔ),具有工程實(shí)踐價(jià)值。

        1 剪力滯效應(yīng)概念

        箱梁在受到對(duì)稱豎向荷載作用下,按照初等梁理論中的平截面假定,假定離中性軸同一距離的截面,沿寬度方向截面的彎曲正應(yīng)力是均勻分布的。實(shí)際上箱梁受到對(duì)稱豎向力作用,其翼緣板上的彎曲正應(yīng)力沿寬度方向不是均勻分布。這種由于剪力流從腹板向翼緣板傳遞的滯后而導(dǎo)致翼緣板上的彎曲正應(yīng)力沿寬度方向呈不均勻分布的現(xiàn)象,稱為“剪力滯效應(yīng)”。如果靠近腹板處翼緣板的正應(yīng)力大于初等梁理論的計(jì)算值,稱之為“正剪力滯效應(yīng)”,反之稱為“負(fù)剪力滯效應(yīng)”。

        為了更簡便地描述箱梁剪力滯效應(yīng),引入剪力滯系數(shù)λ的概念。剪力滯系數(shù)定義為上下翼緣板的實(shí)際正應(yīng)力與按初等梁理論所求得的正應(yīng)力的比值。

        (1)

        2 剪力滯系數(shù)計(jì)算步驟

        具體步驟如下:

        (1)采用CAD軟件繪制變截面懸臂箱梁的橫截面,并查詢箱梁橫截面的截面特征值。

        (2)采用Midas Civil軟件建立變截面懸臂箱梁模型,計(jì)算箱梁在自重荷載作用下固定端截面彎矩值,根據(jù)初等梁理論公式σ=M·y/I計(jì)算截面上翼緣正應(yīng)力,變截面懸臂箱梁Midas Civil模型圖如圖1所示。

        (3)采用ANSYS有限元軟件建立變截面懸臂箱梁模型,計(jì)算箱梁在自重荷載作用下固定端截面的上翼緣正應(yīng)力值,變截面懸臂箱梁ANSYS模型圖如圖2所示。

        (4)分別將初等梁理論計(jì)算和ANSYS軟件計(jì)算的正應(yīng)力數(shù)值帶入式(1),即可得出變截面懸臂箱梁固定端截面上翼緣的剪力滯系數(shù)。

        變截面懸臂箱梁剪力滯系數(shù)計(jì)算流程圖如圖3所示。

        3 變截面懸臂箱梁剪力滯效應(yīng)研究

        3.1 寬跨比對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響

        為了研究寬跨比對(duì)變截面懸臂箱梁剪力滯效應(yīng)的影響和變化規(guī)律,建立四個(gè)橋梁模型,保持其他參數(shù)不變,僅改變寬跨比,變截面懸臂箱梁橫截面和縱截面如圖4、圖5所示。

        保持橋面寬度12m不變,分別將箱梁跨徑改為80m、60m、40m、20m,寬跨比分別為0.15、0.2、0.3、0.6。僅考慮懸臂箱梁在自重荷載作用下,通過初等梁理論以及ANSYS有限元軟件計(jì)算出結(jié)果,提取固定端截面頂板的正應(yīng)力數(shù)據(jù),計(jì)算頂板剪力滯系數(shù),如圖6所示。

        從圖6可以看出在不同寬跨比下,懸臂箱梁錨固端頂板的剪力滯系數(shù)均在腹板位置達(dá)到最大值,離腹板越遠(yuǎn)處剪力滯系數(shù)越小,存在明顯的正剪力滯效應(yīng),同時(shí)寬跨比b/l對(duì)剪力滯系數(shù)的影響非常顯著。當(dāng)寬跨比b/l從0.15增加到0.6時(shí),錨固端截面頂板剪力滯系數(shù)峰值(翼緣板與腹板相交處的剪力滯系數(shù)λe)從1.20增加到1.70,變化幅度非常顯著;而頂板中心線處的剪力滯系數(shù)λc從0.90增加到1.06,變化幅度比較小。剪力滯系數(shù)λe和λc均隨著寬跨比的增加而增加,其剪力滯系數(shù)λ隨著寬跨比的變化如表1所示。

        表1 不同寬跨比錨固端頂板剪力滯系數(shù)變化表

        3.2 寬高比對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響

        為了研究寬高比對(duì)變截面懸臂箱梁剪力滯效應(yīng)的影響和變化規(guī)律,建立四個(gè)橋梁模型,保持其他參數(shù)不變,僅改變寬高比。保持橋面寬度12m不變,分別將箱梁固定端截面梁高改為6m、8m、10m、12m,采用二次拋物線變截面形式,橋梁跨徑取60m,故箱梁固定端截面寬高比分別為2、1.5、1.2、1。僅考慮箱梁結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下,通過初等梁理論以及ANSYS有限元軟件計(jì)算出結(jié)果,提取固定端截面頂板的正應(yīng)力數(shù)據(jù),計(jì)算頂板剪力滯系數(shù),如圖7所示。

        從圖7可以看出在不同寬高比下,懸臂箱梁錨固端頂板的剪力滯系數(shù)存在明顯的正剪力滯效應(yīng),同時(shí)寬高比b/h對(duì)剪力滯系數(shù)的影響也比較顯著。當(dāng)寬高比b/h從1增加到2時(shí),錨固端截面頂板剪力滯系數(shù)峰值(翼緣板與腹板相交處的剪力滯系數(shù)λe)從1.20增加到1.54,變化幅度非常顯著;而頂板中心線處的剪力滯系數(shù)λc從0.92增加到1.0,變化幅度比較小。剪力滯系數(shù)λe和λc均隨著寬高比的增加而增加,其剪力滯系數(shù)λ隨著寬高比的變化如表2所示。

        表2 不同寬高比錨固端頂板剪力滯系數(shù)變化表

        3.3 承托對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響

        在箱梁翼緣板與腹板的交接處設(shè)置的過渡倒角稱為承托。承托能夠增加截面抗彎剛度和抗扭剛度,從而減少扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和畸變應(yīng)力。為了研究上翼緣承托設(shè)置對(duì)懸臂箱梁結(jié)構(gòu)剪力滯效應(yīng)的影響和變化規(guī)律,建立四個(gè)橋梁模型,保持其他參數(shù)不變,僅改上翼緣承托尺寸。分別將箱梁上翼緣承托尺寸設(shè)為:不設(shè)置承托、承托長度分別為50cm×50cm、100cm×50cm、150cm×50cm四種不同的截面尺寸,如圖8所示。僅考慮箱梁結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下,通過初等梁理論以及ANSYS有限元軟件計(jì)算出結(jié)果,提取固定端截面頂板的正應(yīng)力數(shù)據(jù),計(jì)算頂板剪力滯系數(shù),如圖9所示。

        從圖9可以看出設(shè)置不同的承托,變截面懸臂箱梁錨固端頂板的剪力滯系數(shù)分布規(guī)律不同。無承托時(shí),箱梁頂板剪力滯系數(shù)曲線呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰值;而設(shè)置承托后,箱梁頂板剪力滯系數(shù)曲線峰值明顯減小,并且隨著承托長度的增加,其剪力滯系數(shù)曲線峰值越來越小。這是因?yàn)榧袅母拱鍌鬟f至頂板的過程中,水平截面的剪力流q等于剪力值除以水平截面面積,隨著承托水平長度的增加,其水平截面面積將增大,導(dǎo)致q值減小,因此頂板縱向應(yīng)力的橫向分布比較平緩,剪力滯系數(shù)峰值減小。當(dāng)承托長度從0增加到1.5m時(shí),錨固端截面上翼緣板與腹板相交處的剪力滯系數(shù)λe從1.40減小到1.05,變化幅度較顯著;而頂板中心線處的剪力滯系數(shù)λc從0.85增加到0.94,變化幅度非常小。箱梁頂板剪力滯系數(shù)λ隨著承托長度的變化如表3所示。

        表3 不同承托長度錨固端頂板剪力滯系數(shù)變化表

        4 結(jié)論

        綜合以上的研究結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

        (1)箱梁結(jié)構(gòu)寬跨比b/l對(duì)懸臂箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響非常顯著,隨著寬跨比b/l的增大,懸臂箱梁錨固端截面頂板的剪力滯系數(shù)λe和λc均顯著增大。

        (2)箱梁結(jié)構(gòu)寬高比b/h對(duì)懸臂箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響比較顯著,隨著寬高比b/h的增大,懸臂箱梁錨固端截面頂板的剪力滯系數(shù)λe和λc均增大。

        (3)箱梁結(jié)構(gòu)承托設(shè)置對(duì)懸臂箱梁頂板剪力滯效應(yīng)影響較小,設(shè)置承托后,剪力滯系數(shù)曲線分布趨于平緩,隨著承托長度的增大,箱梁頂板剪力滯效應(yīng)有所減弱。

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