新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁的剪力滯效應(yīng)分析

新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁的剪力滯效應(yīng)分析

與普通pc箱梁一樣，波形鋼腹部組合箱梁也存在切割力中斷現(xiàn)象，尤其是在大的寬箱結(jié)構(gòu)中，切割力停滯效應(yīng)更加突出。本文在國內(nèi)實(shí)際設(shè)計(jì)的連續(xù)箱梁橋河南省桃花峪大橋與洪水橋之間的交叉橋上，采用了波形鋼腹部的預(yù)測力橫截面，研究了河南桃花峪大橋的坍塌效應(yīng)。1箱梁截面布置武西高速公路桃花峪黃河大橋跨大堤橋上部結(jié)構(gòu)為3跨單箱單室連續(xù)變截面箱梁結(jié)構(gòu),跨徑組合為(75+135+75)m,分上、下行2幅。支點(diǎn)處梁高7.5m,高跨比為1/18,邊跨端支點(diǎn)處和跨中梁高3.5m,高跨比為1/38.6。從支點(diǎn)到跨中箱梁下緣按照1.8次拋物線變化。橋面橫坡2%由腹板高差形成,箱梁底橫向保持水平。箱梁頂板寬16.05m,底板寬9m。為了提高箱梁的抗扭剛度和橫向抗彎剛度,同時滿足體外束轉(zhuǎn)向的需要,在邊跨設(shè)置四道橫隔板,中跨設(shè)置八道橫隔板,橫隔板間距為9.6~17.6m。圖1、圖2所示為跨大堤橋立面圖和箱梁典型斷面圖。2荷載組合工況目前剪力滯效應(yīng)的實(shí)用計(jì)算方法主要有3種。一是解析法,主要借助薄壁箱梁理論在某些荷載條件以及邊界條件下的解析公式進(jìn)行計(jì)算。二是有限元法,借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能,對箱梁實(shí)體進(jìn)行三維有限元劃分并求出其數(shù)值解,雖然計(jì)算過程較為復(fù)雜,但是有足夠的計(jì)算精度,可以滿足工程的實(shí)際需要。三是基于折算等效寬度的實(shí)用算法,這種算法不能具體給出剪力滯系數(shù),而是將箱梁翼緣板的寬度折減,再按平面梁理論進(jìn)行偏于安全的結(jié)構(gòu)計(jì)算。本文研究波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁的剪力滯系數(shù)采用有限元方法,借助大型有限元軟件ANSYS建立研究對象的全橋空間有限元分析模型,在給定的荷載條件下對波形鋼腹板組合箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行研究。有空間限元計(jì)算模型中頂、底板混凝土用SOL-ID45實(shí)體單元模擬,波形鋼腹板用SHELL43殼單元模擬,預(yù)應(yīng)力束用LINK8桿單元建立。混凝土頂?shù)装迮c鋼腹板單元采用共用節(jié)點(diǎn)方式,體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束單元和混凝土單元共用節(jié)點(diǎn),體外預(yù)應(yīng)力束單元和混凝土單元采用節(jié)點(diǎn)耦合方式連接。為研究不同荷載類型對剪力滯效應(yīng)的影響,施加荷載類型分為橋梁恒載(包括梁體自重、二期恒載以及預(yù)應(yīng)力作用),中跨跨中截面施加360kN的集中力,沿全橋順橋向施加10.5kN/m的均布荷載(2種外荷載加載位置如圖3~圖4),本文計(jì)算的荷載組合工況如下:(1)梁體自重+二期荷載。(2)跨中集中荷載/全橋均布荷載。(3)梁體自重+二期荷載+跨中集中荷載/全橋均布荷載。(4)梁體自重+二期荷載+預(yù)應(yīng)力+跨中集中荷載/全橋均布荷載。從有限元計(jì)算結(jié)果中提取中支座附近截面、邊支座附近截面、邊(中)跨3號塊中間截面、邊(中)跨7號塊中間截面、邊(中)跨11號塊中間截面、邊(中)跨14號塊中間截面、邊(中)跨16號塊中間截面計(jì)算結(jié)果(在文中分別以ZM、ZS、3(3’)、7(7’)、11(11’)、14(14’)、16(16’)代表)。3正應(yīng)力的計(jì)算按照剪力滯系數(shù)的定義,本文采用簡化方法計(jì)算剪力滯系數(shù),在截面上(下)翼緣板上選取若干點(diǎn)(如圖5所示,頂板自左向右依次編號為1~29,底板自左向右依次編號為31~49),通過空間有限元計(jì)算求出各個點(diǎn)的正應(yīng)力,并計(jì)算其平均正應(yīng)力。以平均應(yīng)力作為初等梁理論計(jì)算的翼緣板正應(yīng)力,各點(diǎn)的正應(yīng)力視為考慮剪力滯效應(yīng)翼緣板上實(shí)際存在的正應(yīng)力,前者除后者即得對應(yīng)點(diǎn)的剪力滯系數(shù)。3.1翼緣板剪力滯系數(shù)荷載組合工況(1)計(jì)算得到橋梁的邊支座附近截面、中支座附近截面及邊(中)跨跨中截面頂板上距腹板一定范圍內(nèi)點(diǎn)剪力滯系數(shù)如表1~表2所示。從表1可以看出在自重及二期荷載作用下,邊支座附近截面及邊跨跨中截面的頂板在腹板附近的翼緣板剪力滯系數(shù)均大于1,最大分別為1.993和1.321,表現(xiàn)出明顯的正剪力滯效應(yīng);中支座附近截面及中跨跨中截面的剪力滯系數(shù)沿橋?qū)捵兓^小,剪力滯效應(yīng)不明顯。從表2可以看出在自重及二期荷載作用下,支座附近截面及跨中截面底板均為正剪力滯效應(yīng),但不如頂板明顯。3.2頂?shù)装寮袅禂?shù)分布荷載組合工況(2)在全橋均布荷載或跨中集中荷載獨(dú)立作用下計(jì)算得到橋梁跨中截面各點(diǎn)剪力滯系數(shù)如圖6~圖9所示從圖6~圖9可以看出不同荷載作用類型對截面的剪力滯系數(shù)分布影響很大,邊跨跨中截面的頂?shù)装逶诩辛ψ饔孟戮鶠樨?fù)剪力滯效應(yīng),而在均布荷載作用下卻表現(xiàn)為明顯的正剪力滯效應(yīng);對于中跨跨中截面,在集中荷載作用下頂?shù)装寰鶠檎袅?而在均布荷載作用下頂?shù)装逖貦M橋向正應(yīng)力分布均勻,剪力滯效應(yīng)不明顯。3.3典型截面頂、底板腹板形態(tài)分析荷載情況(3),考慮梁體自重+二期荷載+跨中集中荷載/全橋均布荷載作用下典型截面腹板附近點(diǎn)剪力滯效系數(shù)如圖10~圖11所示。由圖10~圖11可知,在自重+二期恒載+集中力/均布荷載作用下各典型截面頂、底板腹板附近點(diǎn)的剪力滯系數(shù)沿順橋向變化趨勢總體上是一致的。接近中支座的3(3)和7(7’)截面腹板附近的點(diǎn)剪力滯系數(shù)值相差不大,且都大于1,表現(xiàn)為明顯的剪力滯現(xiàn)象,11(11’)和14(14’)截面總體為負(fù)剪力滯效應(yīng)。3.4截面剪力滯系數(shù)對比荷載組合工況(4),即自重+二期荷載+預(yù)應(yīng)力+集中力/均布荷載與荷載組合工況(3)下的各個典型截面頂板點(diǎn)6、底板點(diǎn)31的剪力滯系數(shù)如圖12~圖13所示。從圖12~圖13中可以看出,由于施加預(yù)應(yīng)力增加了截面的整體剛度,預(yù)應(yīng)力會影響到截面剪力滯系數(shù)的大小,但整體上對剪力滯的影響不是很大,除個別截面外預(yù)應(yīng)力不會影響截面剪力滯的性質(zhì)。4荷載作用形式(1)在橋梁自重及二期荷載作用下,支座附近截面及邊跨跨中截面的頂?shù)装寰鶠檎袅?yīng),頂板最大剪力滯系數(shù)分別達(dá)到1.993和1.321,底板的剪力滯效應(yīng)不如頂板明顯。(2)全橋均布荷載或者集中荷載獨(dú)立作用下邊(中)跨跨中截面的剪力滯系數(shù)分布情況表明,荷載作用形式會影響截面的剪力滯效應(yīng)。(3)全橋典型截面的頂、底板剪力滯分布在順橋向的變化趨勢是相同的,在中支座附近的截面剪力滯效應(yīng)接近。(4)施加預(yù)應(yīng)力會影響截面的剪力滯效應(yīng),