摘要: 针对某100m+192m+100m预应力混凝土连续刚构桥的箱梁受力特征，以现有的剪力滞效应理论为基础，并利用三维通用有限元分析软件ANSYS，建立本桥在运营阶段的三维有限元实体模型，分析了该桥在恒载、恒载与预应力荷载组合下的箱梁顶底板的应力分布情况，同时根据相关公式计算了各截面的剪力滞系数。

　　关键词：箱梁 有限元 实体模型 剪力滞系数

　　中图分类号：U441+.5 文献标识码：A文章编号：

　　0引言

　　箱梁剪力滞效应是指在箱形梁中,产生弯曲的横向力通过肋板传递给翼板,而剪应力在翼板上的分布是不均匀的,在肋板与翼板的交接处最大,随着离开肋板的距离增加而逐渐减小,因此,剪切变形沿翼板的分布是不均匀的。由于翼板剪切变形的不均匀性,引起弯曲时远离肋板的翼板之纵向位移滞后于近肋板的翼板之纵向位移,因此弯曲应力的横向分布呈曲线形状,这种弯曲应力分布不均匀的现象,称作剪力滞效应。剪力滞效应常用剪力滞系数λ来衡量,λ的经典定义为:

　　当λ值大于1时称为正剪力滞效应:而当λ值小于1时称为负剪力滞效应

　　混凝土箱梁桥虽然是空间结构，但通常按平面梁单元进行简化分析，这种计算能够把握桥梁结构纵向抗弯、抗剪的主要规律，在一般情况下，能够较好地保证结构的安全度。然而，在大跨度、宽箱体及曲线梁桥中，结构的空间效应比较显著，难以通过平面计算解决，在这些情况下，考虑箱梁桥的空间弯曲、剪滞、扭转、畸变等效应就显得十分重要。为考虑箱梁在偏载作用下的扭转、畸变等效应，在工程设计中，经常引入偏载增大系数用以修正按平面杆系计算的截面应力值。有关箱梁剪力滞的相关成果已纳入规范标准之中，例如德国工业规范（DIN1075）、美国公路桥梁设计规范（(AASHTO—LRFD)、中国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）、中国《高速铁路设计规范》（试行）（TB 10621-2009）。笔者通过对某特大桥进行空间有限元分析，讨论该桥在不同荷载下的剪力滞效应，为今后的桥梁设计提供一定的参考。

　　1有限元模型的建立

　　进行有限元分析时，常用的单元有梁单元、板壳单元以及实体单元。为了更好的模拟箱梁的空间特性以及预应力钢束的作用，采用实体单元对桥梁运营阶段的模拟。

　　某桥为100m+192m+100m预应力混凝土连续刚构桥，梁体为单箱单室、变高度、变截面梁，跨中梁高7.2m，中墩处梁高13.5m，梁底下缘按二次抛物线变化，箱梁顶板宽11.2m，箱宽9.2m，全桥顶板厚62cm,底板厚51~120cm，腹板厚为60~120cm。

　　计算参数：梁体采用C55混凝土，材料弹性模量，泊松比，梁体重度为，预应力钢束采用19-15.2mm高强度低松弛钢铰线，材料弹性模量，成桥运营阶段结构的二期恒载为150KN/m。

　　单元类型：全桥上部箱形主梁与横隔板采用20节点的SOLID95单元，桥墩采用8节点的SOLID45单元，预应力钢束采用杆单元Link8单元模拟，力筋单元与箱梁实体单元采用节点位移耦合构成一个整体，共同工作，预应力通过降温进行模拟。

　　边界条件：墩底固结，主梁与桥墩连接为一整体形成墩梁固结体系，两端支座处采用活动铰支座进行模拟。

　　荷载形式：运营阶段恒载为梁体自重与二期恒载之和，其是梁体自重以施加惯性力方式模拟，二期恒载采用均布面荷载作用于箱梁顶板模拟。

　　全桥有限元模型及截面网格划分如图1所示

　　图1 全桥有限元模型

　　2 计算结果分析

　　通过有限元数值模拟分析，在成桥运营阶段分析了恒载、恒载与预应力组合作用下箱梁的正应力分布情况，并与平面杆系分析结果进行对比得出箱梁各控制载面的剪力滞系数，箱梁横截面的计算点如图2所示：

　　图2箱形截面计算点示意图

　　图3计算控制截面

　　取全桥左半跨，成桥运营各控制截面如图3所示，如图2所示各计算点的应力计算结果如表1所示。

　　表1 计算点的应力结果（单位：MPa）

　　注：拉应力“+”，压应力“-”

　　从表1可以看出，在成桥运营阶段时，箱梁在各荷载工况下各截面正应力沿箱梁横向均存在分布不均匀的现象。恒载作用下，支座处为负弯矩，顶板受拉底板受压；跨中截面处为正弯矩，顶板受压底板受拉；1/4跨截面处，边跨为正弯矩，中跨为负弯矩，但从表1所示的应力分析结果可知，无论压正力还是拉应力，该处的值都偏小，主要是由与该处位于反弯点附近。在恒载与预应力组合作用下，各控制截面的顶板与底板均为压应力，梁截面处于全截面受压状态，应力最大值为10.82MPa，均未超过混凝土抗压强度设计值。从上述应力分析结果可知，有限元分析结果是合理的，符合全桥的实际受力情况。

　　表2计算点的剪力滞系数

　　从表2的剪力滞系数分析结果可知，恒载作用下，截面1、3、4、5、7均为正剪力滞效应，在跨中及支座处的剪力滞效应较其它截面要显著，主要原因为跨中及支座处截面受到的约束较强，故剪力滞效应要明显；截面2、6为负剪力滞效应，且截面6处的剪力滞系数很小，截面2顶板处可达1.1162，造成此截面产生负剪力滞的主要原因为，在处于弯矩反弯点处的截面，截面应力会发生正负交替的变化，产生负剪力滞效应，甚至会在截面上同时出现拉应力与压应力的分布情况。在恒载与预应力组合的情况下，由表2分析结果可知，顶板的剪力滞系数明显增大，而底板的剪力滞系数虽较恒载作用下的分布情况不同，但变化范围都不是很大，说明预应力对顶板的影响较之底板要显著。

　　3结论

　　（1）箱梁的剪力滞效不仅与荷载情况有关，总的来说在支座处，跨中处，以及靠近弯矩反弯点处的剪力滞效应较为明显，甚至反弯点附近的截面会出现负剪力滞现象。

　　（2）预应力对箱梁顶板的剪力滞效应影响较大，对底板的影响较小。

　　参考文献

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