轨道交通W型槽梁在顶推施工中时变剪力滞效应

卫 星，古兴宇，戴李俊，肖 林

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引 言

剪力滞是由于翼缘板剪切变形不均匀，引起弯曲时远离腹板的翼缘纵向位移滞后于近腹板的翼缘纵向位移，从而导致弯曲应力呈非均匀分布。若分布正应力大于初等梁理论的正应力，即称之为正剪力滞效应，反之为负剪力滞效应。而截面形式不同，其刚度分布不同，剪力滞效应存在较大差异[1]。

槽型梁以其高度小、噪音低在铁路桥梁建设中发挥着重要作用[2]。不少学者分析了支座约束[2]、荷载[3-4]、构造形式[5-9]和材料类别[10-11]等对箱梁、T梁剪力滞效应的影响，对于槽型梁的剪力滞效应的研究相对较少。有学者基于能量变分法对槽型梁剪力滞问题进行分析，得出剪力滞效应计算公式，并得出槽型梁有效宽度计算方式[12]。

桥梁在顶推施工过程中，截面弯矩不断变化，导致翼缘板上的正应力分布也随施工过程不断变化，研究桥梁顶推过程中的时变剪力滞效应对于保证施工安全具有重要意义。本文利用Midas和Ansys建立某轨道交通W型槽梁有限元模型进行施工阶段模拟，得到了施工过程中W型槽梁弯矩和剪力滞效应，并总结了剪力滞效应的时变规律。

1 工程概况

某轨道交通W型槽梁为预应力混凝土连续梁结构，跨度布置为45 m+65 m+45 m，采用变高槽型截面，底板为平坡，梁高由4.5 m圆弧形变化为2.5 m，主梁构造如图1所示。

图1 主梁构造图（单位：mm）

该桥跨越既有高速公路，为减少对既有交通的干扰，主梁分三段现浇，中间梁段现浇后顶推就位，再支架现浇两侧梁段。顶推前需在高速路两侧设置临时支墩，顶推时不需进行封闭交通。待梁体全部浇筑完毕，并张拉完所有预应力后，拆除临时支墩。顶推过程示意图如图2所示。

图2 顶推施工示意图（单位：mm）

2 施工过程时变剪力滞分析

2.1 有限元计算模型

根据桥梁设计资料，利用Midas建立三维梁单元模型（图3），利用Ansys建立三维实体有限元模型（图4）。利用Midas梁单元模型可分析得到结构内力及截面平均应力σMidas（基于初等梁理论），利用Ansys模型可分析得到截面任意点应力分布σAnsys。

图3 Midas有限元模型图

图4 Ansys有限元模型图

截面上的剪力滞系数λ可定义为：

2.2 施工过程中的弯矩时变特性

利用Midas分析得到恒载作用下梁体内力，选择分析的典型截面为跨中截面和最大悬臂时的支点截面。跨中截面代表桥梁最大正弯矩截面，最大悬臂时的支点截面代表桥梁最大负弯矩截面。其他截面的受力情况应在这两者之间。计算得出两个控制截面弯矩随顶推距离的变化情况如图5所示。

图5 顶推过程弯矩时变图

由图可知，跨中截面和最大悬臂支点截面一直在正弯矩和负弯矩的交替作用下。其中最大悬臂支点截面弯矩波动幅值较大，最大负弯矩出现在施工过程中顶推37.4 m处，最大正弯矩出现在顶推60 m处。

2.3 施工过程中时变剪力滞效应

W型槽梁设置有3块腹板与底板连接。由于底板剪切变形的不均匀性，导致纵桥向弯曲应力沿横桥向非均匀分布。根据Ansys计算得出跨中截面及最大悬臂支点截面在顶推过程中底板处纵桥向正应力分布剪力滞系数如图6及图7所示。

图6 跨中截面底板应力分布时变图

图7 最大悬臂支点截面底板应力分布时变图

通过对顶推过程中应力分布特点进行总结，可以发现：1）顶推过程中，梁截面剪力滞效应发生变化，甚至相同位置出现了剪力滞正负性质改变；2）负剪力滞效应多出现于两侧腹板位置，而正剪力滞效应多出现于中间腹板位置；3）中间腹板和两侧腹板的剪力滞效应大都呈现相反趋势，显示着腹板之剪力滞效应存在约束关系；4）顶推过程中剪力滞效应时变曲线呈现出类似趋势。

剪力滞系数之所以表现出时变特征，一方面顶推施工过程中结构体系从悬臂梁向简支梁转化，于此同时截面内力（弯矩、剪力）不断变化，另一方面不同截面的刚度分布不同，使得正、负弯矩带来不同的应力分布。

2.4 施工过程中剪力滞系数的变化分析

在顶推过程中，梁截面的最大和最小剪力滞系数的时变曲线如图8所示。

图8 剪力滞系数时变图

结合数据和图形可以发现：1）剪力滞系数是一个随顶推过程不断来回变化的数值，且变化幅值不可忽视；2）最大悬臂支点截面剪力滞变化幅值相对较大，其中负剪力滞最低约为初等梁理论值的0.79倍，正剪力滞最大约为初等梁理论值的1.58倍；3）跨中截面剪力滞变化幅值相对较小，其中负剪力滞最低约为初等梁理论值的0.91倍，正剪力滞最大约为初等梁理论值的1.06倍，剪力滞效应相对不明显；4）与图5对比发现，最大悬臂支点截面的最大正剪力滞系数随着弯矩的变化产生相同趋势的变化，而跨中截面可能由于剪力滞效应不明显导致类似规律不十分明显。

3 结束语

1）顶推过程中梁体截面正负弯矩交替出现，且最大悬臂支点截面弯矩波动幅值更大。剪力滞效应会随顶推过程不断变化，并可能出现正负性质的更变。

2）负剪力滞效应多发在槽型梁截面两侧腹板位置；正剪力滞效应多出现在梁截面中间腹板位置。两侧腹板和中间腹板剪力滞效应大多呈相反正负性质，可以预见两侧腹板和中间腹板存在一定制约关系。

3）跨中截面剪力滞效应相对较弱，剪力滞系数变化不明显，在工程中认为基本可按照规范进行设计和施工，不需做多考虑。最大悬臂支点截面剪力滞效应不可忽视，剪力滞系数幅值约在0.79～1.58范围内出现。在工程设计中要做到充分考虑。

4）弯矩变化幅值越大，剪力滞系数变化幅值也更大。该槽型梁中，底板的剪力滞效应时变曲线与弯矩的时变曲线存在一定关系。在正弯矩达到最大时，出现最大正剪力滞系数。