非对称荷载作用下预应力混凝土箱梁剪力滞效应研究

黄文雄　杨先凡　王　鹏　郑传奇　郭　展（长江大学城市建设学院）



非对称荷载作用下预应力混凝土箱梁剪力滞效应研究

黄文雄杨先凡王鹏郑传奇郭展
（长江大学城市建设学院）

【摘要】为研究非对称荷载对预应力混凝土箱梁剪力滞效应的影响，选定典型结构的预应力混凝土简支箱形梁，以Ansys有限元分析软件为工具，采用分离式模型，建立了预应力混凝土箱梁有限元模型。对比分析了对称荷载与非对称荷载作用下预应力混凝土箱梁剪力滞效应的差异，并重点分析了非对称荷载作用下箱梁宽跨比、跨高比、预应力大小等参数对箱梁剪力滞效应的影响。分析结果表明：非对称荷载作用下剪力滞系数大小明显高于对称荷载；宽跨比对箱梁剪力滞效应影响最大，且其对顶底板影响大体相当；随着跨高比的增大，箱梁顶板、底板其剪力滞系数均逐渐减小，且顶板的变化更加显著；预应力在一定程度上可以减小顶板剪力滞效应，加大底板剪力滞效应。

【关键词】桥梁工程；剪力滞效应；有限元分析；预应力混凝土箱梁；非对称荷载；影响因素

“剪力滞效应”是指翼缘较宽的箱型梁由于翼板中的剪切变形导致纵向正应力沿翼板宽度呈不均匀分布，其间存在传力的滞后现象。“剪力滞效应”的存在将会使混凝土箱梁局部位置产生应力集中，甚至开裂；若忽略剪力滞的影响，就会低估箱梁结构实际产生的应力，从而造成结构的不安全［1-3］。

目前，关于荷载对箱梁剪力滞效应的研究主要是对称集中荷载与均布荷载，并取得了较多的成果，但是实际桥梁的受力状态较复杂，并不全是对称荷载作用，更多的是非对称荷载作用［4-6］。因此，很有必要对非对称荷载下的预应力混凝土箱梁剪力滞效应进行研究，以更好的服务于工程实际。

1　箱梁有限元分析模型的建立与结果分析

1.1箱梁有限元分析模型的建立

基于实际工程中箱型梁桥典型结构与尺寸的分析，箱梁采用预应力混凝土简支梁，计算跨径为30m，外荷载采用集中荷载的形式，分别施加于单侧箱梁腹板顶面（非对称荷载）或双侧箱梁腹板顶面（对称荷载）。

基于ANSYS有限元分析软件，采用精细化建模技术与参数化建模方法进行建模［7-9］。模型采用分离式模型，采用切分法准确确定预应力筋的具体位置，预应力采用降温法施加［10-12］。钢筋混凝土采用SOLID65单元来模拟，预应力钢筋采用LINK8单元来模拟。箱梁基本尺寸与所建有限元模型如图1所示。

图1　箱梁基本尺寸与有限元模型分析示意图（单位：cm）

1.2对称荷载与非对称荷载作用下箱梁剪力滞效应

分别在单侧箱梁腹板顶面与双侧箱梁腹板顶面各施加P=10kN的集中力，得到非对称荷载与对称荷载作用下箱梁跨中截面剪力滞系数变化规律，如图2所示。

由图2可知：非对称荷载作用下，箱梁顶板最大剪力滞系数在荷载作用侧腹板与顶板交界处有最大值为2.169，朝两边逐渐减小，另一侧顶板边缘剪力滞系数最小值为0.640；箱梁底板最大剪力滞系数从荷载作用侧向另外一侧逐渐减小，在荷载作用侧最大值为1.539，另一侧最小值为0.672。而在对称荷载作用下，其剪力滞效应呈对称分布，且其最大与最小剪力滞效应都相对更弱。

图2　非对称荷载与对称荷载作用下箱梁顶板、底板剪力滞系数

2　不同结构参数下剪力滞效应分析

影响箱梁剪力滞效应的参数较多，本文主要分析非对称荷载作用下宽跨比、跨高比、预应力大小对箱梁剪力滞效应的影响程度。

2.1宽跨比对箱梁剪力滞效应的影响

箱梁的计算跨径为30m，考虑宽跨比（B/L）分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8时箱梁顶板及底板最大剪力滞系数变化。

图3　不同宽跨比下箱梁跨中截面顶板、底板最大剪力滞系数变化趋势

图4　不同跨高比时箱梁跨中截面顶板、底板最大剪力滞系数变化趋势

由图3可知：在非对称荷载作用下，随着宽跨比的增大，无论底板还是顶板剪力滞效应系数均大致呈线性增加，且其对顶底板影响大体相当。当宽跨比由0.2变到0.8时，顶板的剪力滞系数由1.560增大到3.725，增加了约138.8%；底板的剪力滞系数由1.223增大到3.345，增加了约137.5%。

2.2跨高比对箱梁剪力滞系数的影响

箱梁的计算跨径为30m，考虑跨高比（L/H）分别为12、10、8、6、4时箱梁顶板及底板的最大剪力滞系数变化。

由图4可知：在非对称荷载作用下，随着跨高比的增大，无论是箱梁的顶板还是底板其剪力滞系数均逐渐减小，但其对顶板的影响更加显著。当跨高比由4增大到12时，顶板剪力滞系数由3.13减小到1.933，减小了约38.2%；底板剪力滞系数由1.572减小到1.519，减小了了约3.4%。

图5　不同预应力作用下箱梁跨中截面顶板、底板最大剪力滞系数变化趋势

2.3预应力大小对箱梁剪力滞系数的影响

分别设置预应力大小为：0kN、1kN、2kN、3kN、4kN、5kN，保持其他参数不变，得到不同预应力作用下的箱梁顶板及底板的最大剪力滞系数变化图。

由图5可知：当不施加预应力时，顶板剪力滞系数最大为2.172，底板剪力滞系数最小为1.499。随着预应力的增大，顶板的剪力滞系数大致呈线性减少，底板剪力滞系数越来越大。当预应力增大到5kN时，顶板剪力滞系数减小了约12.3%，底板剪力滞系数增大了约53.2%。故而，预应力在一定程度上可以减小顶板剪力滞效应，加大底板剪力滞效应；且对底板的剪力滞效应影响要比顶板更明显。

3　结论

基于ANSYS有限元软件及建立的精细化有限元分析模型，通过对非对称荷载作用下预应力混凝土箱梁剪力滞效应分布与变化规律的分析，可以得出以下几点结论：

⑴在相同大小的对称荷载与非对称荷载作用下，非对称荷载对箱梁顶板的剪力滞效应影响要比对称荷载作用下更加明显。

⑵非对称荷载作用下，宽跨比对箱梁剪力滞效应的影响最大；随着宽跨比的增大，无论底板还是顶板剪力滞系数均大致呈线性增加，且其对顶底板影响大体相当。

⑶非对称荷载作用下，随着跨高比的增大，无论是箱梁的顶板还是底板其剪力滞系数均逐渐减小，但其对顶板的影响更加显著。

⑷非对称荷载作用下，预应力在一定程度上可以减小顶板剪力滞效应，加大底板剪力滞效应；且对底板的剪力滞效应影响要比顶板更明显。●

【参考文献】

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［12］黄文雄，谭利英.混凝土结构有限元分析中预应力筋模拟的新思考［J］.中外公路，2013，33（02）：108-111.

*基金项目：大学生创新创业训练计划项目（104892014002）