連續(xù)曲線箱梁剪力滯效應(yīng)分析

1、文章編號(hào):1671-2579(2004 04-0061-05連續(xù)曲線箱梁剪力滯效應(yīng)分析肖敏1, 李新平2(1. 廣州市國(guó)際工程咨詢(xún)公司, 廣東廣州510310; 2. 摘要:該文采用空間板殼有限元法, , 為完。; ; 分析計(jì)算收稿日期:2004-07-26作者簡(jiǎn)介:肖敏, 女, 大學(xué)本科, 工程師.1概述箱梁在對(duì)稱(chēng)荷載作用下?lián)锨鷷r(shí), 由于翼板的剪切變形致使彎曲應(yīng)力沿梁寬方向的橫向分布呈現(xiàn)不均勻狀態(tài), 即所謂“剪力滯”效應(yīng)。在20世紀(jì)60年代末至70年代初, 奧地利、英國(guó)、澳大利亞及德國(guó)相繼發(fā)生了4起大跨徑鋼箱梁的重大事故, 其直接原因是在設(shè)計(jì)時(shí)忽略了剪力滯的影響, 從而低估了箱梁結(jié)構(gòu)實(shí)際產(chǎn)生

2、的應(yīng)力, 造成結(jié)構(gòu)的不安全。近幾年來(lái), 隨著城市立交橋和高架橋建設(shè)的迅速發(fā)展, 箱梁橋尤其是與單柱墩配合修建的曲線箱梁橋, 因具有外形簡(jiǎn)潔、美觀、占地少、橋下通視良好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用, 但是我國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)箱梁的剪力滯效應(yīng)僅提出可參照T 形梁的規(guī)定處理。因此, 提出實(shí)用的剪力滯系數(shù)計(jì)算圖表很有現(xiàn)實(shí)意義。近幾十年來(lái), 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)剪力滯效應(yīng)做了大量研究。直線箱梁的剪力滯理論已經(jīng)趨于成熟, 但曲線箱梁由于存在曲率, 彎扭耦合效應(yīng)明顯, 使曲線箱梁的力學(xué)分析十分復(fù)雜, 研究曲線箱梁的剪力滯效應(yīng)具有其特殊性。在曲線箱梁的剪力滯系數(shù)實(shí)用計(jì)算法研究方面, 已有文獻(xiàn)歸納了簡(jiǎn)支梁和兩跨連續(xù)梁的

3、剪力滯特點(diǎn), 認(rèn)為剪力滯與梁的曲率半徑、寬跨比、寬高比、寬厚比、板厚比、斜腹板傾角、荷載類(lèi)型等因素有關(guān), 并就曲率半徑和寬跨比兩個(gè)重要參數(shù)編制了實(shí)用計(jì)算表。但是, 兩跨連續(xù)梁并不能代表多跨連續(xù)梁的主要控制斷面, 三跨連續(xù)梁才更具有一般性。本文以三跨連續(xù)梁為例, 系統(tǒng)地分析了連續(xù)曲線箱梁剪力滯 的分布規(guī)律和特點(diǎn), 進(jìn)而編制實(shí)用計(jì)算表。2研究對(duì)象及建模加載本文以某立交工程曲線匝道橋?yàn)槔? 即以曲率半徑75m , 跨徑布置3×30m 的三跨連續(xù)曲梁為研究對(duì)象進(jìn)行剪力滯分析計(jì)算。上部結(jié)構(gòu)為單箱單室截面, 橋面寬8m , 梁高1. 5m 。縱、橫斷面布置見(jiàn)圖1。圖中兩端支點(diǎn)斷面的端橫梁向兩側(cè)均

4、伸出1m , 這樣可增大端部?jī)蓚€(gè)支座間距, 從而減小端部扭矩產(chǎn)生的支座負(fù)反力。中間支座斷面的中橫梁不伸出腹板, 僅將箱梁一般斷面填實(shí), 圖中未示出。采用大型通用有限元分析程序ANSYS 中的板殼單元模擬箱梁的頂板、底板和腹板, 用塊體單元模擬端橫梁和中橫梁進(jìn)行剪力滯數(shù)值計(jì)算。下文提及的跨中截面為三跨連續(xù)梁中跨跨中截面, 中間支座截面為任一中間支座處橫隔梁外側(cè)距離1m 的箱梁截面。計(jì)算剪力滯效應(yīng)主要考慮兩種荷載形式:跨中對(duì)稱(chēng)集中荷載(取P =100kN 和全跨對(duì)稱(chēng)均布荷載(取q =10kN/m , 加載示意如圖2所示。3橫向效應(yīng)分析曲率半徑R =75、150、300m (分別代表小曲率半第24卷

5、第4期2004年8月中外公路61徑、中等曲率半徑、大曲率半徑曲梁 和直橋4種不同曲率半徑的三跨連續(xù)梁, 集中荷載和均布荷載作用下跨中截面和中間支座截面的剪力滯系數(shù)分布規(guī)律如圖3、圖4所示 。圖1縱橫斷面布置圖(單位:cm 圖2加載示意圖從圖3、圖4中可以得出以下規(guī)律:(1 曲線箱梁的內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)不同, 外側(cè)大內(nèi)側(cè)小, 且隨著曲率半徑增大, 外側(cè)剪力滯系數(shù)減小,內(nèi)側(cè)剪力滯系數(shù)增大, 內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)差距縮小, 至直線橋時(shí), 內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)完全對(duì)稱(chēng) 。圖3 跨中截面頂板剪力滯系數(shù)橫向分布圖圖4中間支座截面頂板剪力滯系數(shù)橫向分布圖(2 曲線箱梁橫截面中心處的剪力滯系數(shù)不受曲率半徑的影響。(3

6、跨中截面頂板剪力滯系數(shù)在集中荷載作用下隨曲率半徑變化較小, 而在均布荷載作用下隨曲率半徑變化較為明顯。(4 中間支座截面頂板剪力滯分布圖中出現(xiàn)兩個(gè)峰值平臺(tái), 這可能是中橫梁的約束作用引起的。(5 相同曲率半徑的曲線梁橋, 跨中截面集中荷 26中外公路24卷載作用下剪力滯效應(yīng)大, 均布荷載作用下剪力滯效應(yīng)小; 中間支座截面集中荷載和均布荷載作用下的剪力滯效應(yīng)相差不大, 均布荷載作用下稍大些。經(jīng)計(jì)算表明, 箱梁底板也存在剪力滯現(xiàn)象, 但遠(yuǎn)沒(méi)有頂板嚴(yán)重。就跨中截面而言, 集中荷載作用下最大值為1. 263, 而頂板為1. 496; 均布荷載作用下最大值為1. 085, 而頂板為1. 134。因此,

7、下面的研究主要討論曲線箱梁頂板的剪力滯效應(yīng) 。4縱向效應(yīng)分析, 曲線箱梁橫截面上外腹板與頂板相交處剪力滯系數(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為外側(cè)剪力滯系數(shù) 最大, 為了解它沿橋跨曲線縱向的變化規(guī)律, 計(jì)算不同曲率半徑的三跨連續(xù)梁在集中荷載和均布荷載作用下沿橋跨曲線縱向的外側(cè)剪力滯系數(shù), 見(jiàn)圖5所示。從圖5中可以得出以下規(guī)律:(1 隨著曲率半徑減小, 曲線箱梁的縱向剪力滯效應(yīng)加劇。(2 均布荷載作用下, 沿橋跨曲線縱向存在正負(fù), , 負(fù)彎(, 由于此兩處初等梁應(yīng)力值, 故此兩處剪力滯系數(shù)趨于正負(fù)無(wú)窮大。剪力滯效應(yīng)最大的位置在中間支座截面附近。(3 集中荷載作用下, 沿橋跨曲線縱向任何截面均不出現(xiàn)負(fù)剪力滯現(xiàn)象, 剪力

8、滯效應(yīng)最大的位置在中跨跨中截面, 其次是邊跨跨中截面。圖5頂板外側(cè)剪力滯系數(shù)縱向分布圖(4 集中荷載作用下的剪力滯影響區(qū)域相對(duì)集中, 而均布荷載作用下縱向分布區(qū)域比較均勻。5影響曲線箱梁剪力滯效應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分析已有的研究表明, 曲線箱梁的剪力滯效應(yīng)與曲率半徑、寬跨比、寬高比、寬厚比、板厚比、斜腹板傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān), 但曲率半徑和寬跨比是兩個(gè)最為重要的參數(shù), 其他參數(shù)對(duì)剪力滯的影響較小。因此, 本文只研究曲率半徑和寬跨比對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響。5. 1曲率半徑的影響分析增加曲率半徑R =50、100、200m 三個(gè)曲線箱梁模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算。將不同曲率半徑的箱梁橋在集中、均布荷載作用下中跨

9、跨中截面和中間支座截面頂板和內(nèi)外側(cè)腹板相交處的剪力滯系數(shù)繪制成圖6 所示。從圖6可知:(1 頂板外側(cè)剪力滯系數(shù)隨著曲率半徑的增大而減小, 頂板內(nèi)側(cè)剪力滯系數(shù)隨著曲率半徑的增大而增大。(2 就中跨跨中截面而言, 集中荷載下的剪力滯效應(yīng)比均布荷載下大很多, 當(dāng)曲率半徑大于300m 時(shí), 兩種荷載作用下頂板內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)均越來(lái)越接近, 此時(shí)按直線箱梁橋計(jì)算剪力滯系數(shù)不會(huì)產(chǎn)生較大誤差。(3 就中間支座截面而言, 集中荷載下的剪力滯效應(yīng)比均布荷載下稍小, 兩種荷載作用下頂板內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)隨曲率半徑變化較緩, 而從曲率半徑300m 的大半徑曲線箱梁變化到直線箱梁較急。5. 2寬跨比的影響分析寬跨比定義

10、為曲線箱梁兩腹板中心間距與梁軸線長(zhǎng)度之比(2b/L 。上述建立的有限元模型中2b =3. 5m , L =30m ,2b/L =0. 117。按箱梁截面不變(2b 不364期連續(xù)曲線箱梁剪力滯效應(yīng)分析變 , 將跨徑L 變化, 使2b/L =0. 2、0. 3, 仍然考慮R =75、150、300m 、直橋4種情況分別進(jìn)行有限元分析計(jì)算。按2b/L =0. 117、0. 2、0. 3的剪力滯系數(shù)計(jì)算結(jié)果擬合經(jīng)驗(yàn)公式, 為使剪力滯系數(shù)實(shí)用計(jì)算表通用簡(jiǎn)潔,2b/L =0. 117按2b/L =0. 1擬合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果, 列入表1中。寬跨比的影響如圖7、圖8 所示。圖6頂板內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)隨曲率半

11、徑變化表1三跨連續(xù)曲線箱梁剪力滯系數(shù)實(shí)用計(jì)算表荷載截面/m寬跨比(=2b/L 0. 10. 20. 3經(jīng)驗(yàn)公式文獻(xiàn)4計(jì)算值=0. 1=0. 2=0. 3集中荷載跨中75150300直橋1. 4701. 4601. 4571. 4521. 6041. 5921. 5871. 5771. 6921. 6781. 6721. 664=-2. 3022+2. 031+1. 290=-2. 2792+2. 000+1. 283=-2. 2682+1. 984+1. 281=-1. 8952+1. 818+1. 2891. 2121. 2001. 3021. 2841. 3701. 356中間支座7515

12、0300直橋1. 3771. 3731. 3701. 3491. 4951. 4871. 4811. 4621. 5821. 5731. 5661. 548=-1. 5662+1. 653+1. 227=-1. 4232+1. 572+1. 230=-1. 2812+1. 490+1. 234=-1. 3582+1. 539+1. 2091. 1471. 1211. 2291. 2011. 2961. 269均布荷載跨中75150300直橋1. 1251. 1081. 1011. 0901. 1791. 1581. 1481. 1271. 2311. 2061. 1921. 159=-0. 1

13、212+0. 581+1. 068=-0. 0762+0. 518+1. 057=-0. 1632+0. 522+1. 050=-0. 2262+0. 433+1. 0491. 0351. 0301. 0721. 0591. 1091. 083中間支座75150300直橋1. 4361. 4281. 4241. 4051. 5861. 5721. 5641. 5281. 6841. 6681. 6571. 625=-2. 6112+2. 286+1. 233=-2. 3912+2. 156+1. 237=-2. 3582+2. 109+1. 237=-1. 2832+1. 612+1. 257

14、1. 2091. 1791. 3231. 2681. 3951. 351圖7跨中截面頂板外側(cè)剪力滯系數(shù)隨寬跨比變化圖 46中外公路24卷 8表1板相交處的剪力滯系數(shù), 因?yàn)樵跈M截面上該處剪力滯效應(yīng)最大, 故選擇該處的剪力滯系數(shù)制定實(shí)用計(jì)算表供工程設(shè)計(jì)參考。表中選用3種不同曲率半徑的曲線箱梁和直線箱梁, 當(dāng)實(shí)際橋梁與表中結(jié)構(gòu)參數(shù)不完全相同時(shí), 可參照本節(jié)關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)的討論偏安全地取用接近的參數(shù)查表。表1中還列出了已有文獻(xiàn)歸納的兩跨連續(xù)曲線箱梁外側(cè)腹板與頂板相交處的剪力滯系數(shù)。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn):(1 在集中荷載作用下, 三跨連續(xù)箱梁跨中截面和中間支座截面的剪力滯系數(shù)均比兩跨連續(xù)箱梁跨中截面和中間支座截面

15、的剪力滯系數(shù)偏大約20%。(2 在均布荷載作用下, 三跨連續(xù)箱梁跨中截面的剪力滯系數(shù)比兩跨連續(xù)箱梁跨中截面的剪力滯系數(shù)偏大約6%。(3 在均布荷載作用下, 三跨連續(xù)箱梁中間支座截面的剪力滯系數(shù)比兩跨連續(xù)箱梁中間支座截面的剪力滯系數(shù)偏大約20%。這說(shuō)明三跨連續(xù)箱梁的剪力滯效應(yīng)比兩跨連續(xù)箱梁的剪力滯效應(yīng)嚴(yán)重, 僅按兩跨連續(xù)箱梁的剪力滯效應(yīng)來(lái)推斷一般連續(xù)箱梁的剪力滯效應(yīng)是有欠缺的。從圖7、圖8中可以得出以下規(guī)律:(1 寬跨比對(duì)剪力滯系數(shù)影響很大。(2 不同荷載類(lèi)型和控制截面的剪力滯系數(shù)與寬跨比的變化規(guī)律相似, 隨著寬跨比的增大剪力滯效應(yīng)加劇, 但加劇程度逐漸減弱。(3 相同寬跨比時(shí), 曲率半徑越小, 外側(cè)腹板與頂板相交處的剪力滯系數(shù)越大。6結(jié)論本文以三跨連續(xù)曲線箱梁代表一般連續(xù)曲線箱梁, 用板殼單元建立有限元計(jì)算模型, 對(duì)其在對(duì)稱(chēng)集中荷載和對(duì)稱(chēng)均布荷載作用下進(jìn)行分析, 得到連續(xù)曲線箱梁剪力滯效應(yīng)的一般規(guī)律和實(shí)用計(jì)算表, 具有較強(qiáng)的實(shí)用性。就剪力滯規(guī)律而言, 三跨連續(xù)曲線箱梁和兩跨連續(xù)曲線箱梁大體相同。但