波形钢腹板组合箱梁与普通混凝土箱梁剪力滞效应横向分布规律分析

摘 要：本文简要介绍了剪力滞效应，分析了波形钢腹板组合箱梁的结构特点及优点。利用ANSYS有限元分析软件，建立预应力混凝土箱梁有限元模型。重点分析了对称荷载作用下波形钢腹板组合箱梁与普通混凝土箱梁剪力滞效应横向分布规律，得出波形钢腹板组合箱梁比普通混凝土箱梁剪力滞效应要弱的结论。

关键词：预应力；剪力滞；有限元；箱梁

1.引言

箱型截面梁具有抗扭刚度大、取材方便、整体性高、稳定性好等优势在预应力混凝土桥梁中得到了广泛应用。“剪力滞效应”作为箱型截面梁的一大“特点”，一直困扰着众多桥梁设计与施工人员。“剪力滞效应”的存在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。

2.波形钢腹板组合箱梁的结构特点及优点

波形钢腹板PC组合箱梁主要由混凝土底板及顶板、波形钢腹板、混凝土横隔板、体内预应力索、体外预应力索以及剪切连接件组成。其典型特点为波形钢腹板替代传统的钢筋混凝土腹板。波形钢腹板PC组合箱梁使用波形钢腹板代替混凝土腹板，大大降低了箱梁截面的重量，桥梁整体受力比较明确，充分发挥了混凝土和钢材的使用性能，其有效的融合了箱梁、体外预应力与组合结构的优点，减小由徐变收缩引起的预应力损失，避免了腹板裂缝，加快施工进度，波形钢腹板箱梁更美观，有利于材料回收与循环利用。

3.空间有限元分析模型的建立及结果分析

3.1以ANSYS有限元分析软件为平台，采用精细化建模技术与参数化建模方法，建立精细化与参数化的预应力混凝土箱梁简支梁桥模型，模型长度为30m。

3.2有限元分析模型的特性

本文所研究的预应力混凝土箱梁的横向典型构造尺寸见图1、2。采用SOLID65单元来模拟钢筋混凝土部分，用LINK8单元来模拟预应力钢筋，SHELL63单元来模拟波形钢板。箱梁采用C50混凝土。

3.3有限元模型的建立

利用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，建立了预应力钢筋混凝土箱梁有限元分析模型。模型采用分离式模型，利用切分法建模，准确切分出预应力筋的具体位置，预应力采用降温法施加。

4、两种箱梁剪力滞效应横向分布规律分析

外荷载在横向加载形式主要为对称加载，即荷载施加在两侧翼板与腹板交界处。本节以集中荷载为施加对象，施加到箱梁跨中截面，以探明荷载横向变位对波形钢腹板箱梁和预应力混凝土箱梁剪力滞效应差异。后文所有章节中图表的标注中：“普通梁”为“普通预应力混凝土箱梁”的简称，“波形梁”为“波形钢腹板PC组合箱梁”的简称。

对箱梁施加总大小为20kN的荷载，计算箱梁跨中截面顶板及底板的剪力滞系数，图5、6分别为两种箱梁跨中截面顶板及底板的剪力滞系数横向分布规律对比图。

由图5可知，两种箱梁跨中截面顶板在对称加载工况作用下的剪力滞系数均呈对称”M”型分布，最大剪力滞系数均出现在翼板与腹板交界处，随后朝两边减小，最小值出现在翼缘板边缘。其中，波形钢腹板PC组合箱梁最大剪力滞系数为1.158；普通预应力混凝土箱梁最大剪力滞系数为1.286。两者相比之下，“波形梁”顶板剪力滞系数最大值小于“普通梁”顶板最大剪力滞系数，“波形梁”剪力滞系数最小值大于“普通梁”剪力滞系数最小值，前者顶板中点位置处剪力滞系数大于后者相同位置处。

由图6可知，两种箱梁跨中截面底板在对称加载工况作用下的剪力滞系数均呈对称”U”型分布，最大剪力滞系数均出现在底板边缘附近，最小剪力滞系数均出现在底板中心位置。其中，波形钢腹板PC组合箱梁底板最大剪力滞系数位于底板与腹板连接处，为1.077，最小剪力滞系数为0.869；普通预应力混凝土箱梁最大剪力滞系数为1.10，最小剪力滞系数为0.929。

5结论

通过ANSYS有限元软件计算结果的分析，可以得出以下几点结论：

（1）波形钢腹板组合箱梁跨中截面为正剪力滞效应。顶板最大剪力滞系数出现在腹板与顶板的交界处，底板的剪力滞系数最大值在腹板与底板的交界处。

（2）对称荷载作用下，波形钢腹板PC组合箱梁顶板剪力滞效应要弱于普通预应力混凝土箱梁顶板剪力滞效应，波形钢腹板PC组合箱梁能降低箱梁顶板剪力滞效应。

（3）对称荷载作用下，在相同横向宽度位置普通预应力混凝土箱梁底板剪力滞系数均大于波形钢腹板PC组合箱梁剪力滞系数，在对称荷载作用下前者剪力滞效应强于后者剪力滞效应。

参考文献

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（作者单位：荆州市五维公路勘察设计有限公司）