超宽翼缘单箱多室预应力混凝土箱梁设计关键技术应用研究

摘要：随着中国高速公路和城市公路的快速发展，高架公路和高速公路出入口被广泛使用。预应力混凝土曲线位桥是现代交通基础设施的重要桥梁形式。重要研究理论例如：曲线梁桥的基本理论和计算方法，弹性薄壁结构理论，平面弯曲梁的平面微分方程，圆弧微分方程。还对广泛使用的结构分析有限元方法进行了理论基础和开发。因此，使用有限元分析程序建立结构模型，计算影响预应力混凝土曲梁桥应力的主要原因，并使用参数变动法进行比较。对曲率半径，支撑偏移配置，安装支撑的设定，系统温度，温度梯度配置以及影响弯曲桥应力有很大的影响。

关键词：超宽翼缘单箱，预应力，混凝土，关键技术，现状分析.

一、引言

预应力混凝土连续箱位桥被广泛用于大的横向扭转刚度，变形，平滑对齐，简单的施工技术和合理的经济指标的优点。目前，在长位桥上，长的悬臂梁和宽幅箱部被广泛使用，减少了自重，便于建设。随着城市交通需求的增加，城市的过多使用了长的悬臂梁和大的箱位数剖面。由于大的间隔，宽的横向和薄的箱位壁，这种宽的箱位在桥的横向上具有剪切延迟效应，导致不均匀的横向应力分布。获得有效宽度的方法多为差分法，能量波动法，类比法等。这些方法通常需要求解微分方程。

二、混凝土箱梁设计的现状

2.1、国内外预应力混凝土箱梁桥的发展

国外自第一次产业革命以来，由于高强度钢、高强度水泥的发明和高速发展，混凝土桥、预应力混凝土桥和钢桥也蓬勃发展。1930年代以后，预应力混凝土箱位桥是法国和德国最先建造的。1937年（昭和11年），建成了33m跨度的重型钢筋混凝土单纯支撑梁桥和69m跨度的加固悬臂桥。1960年代中期以后，在德国的莱茵河上，通过坎德贝克·比林法建设，悬臂注入法和悬臂施工法连续提高，完成并普及。预应力混凝土连续梁桥是许多国家广泛使用的桥的类型之一。世界最大的预应力混凝土连续桥是1994年建成的挪威的桥，260米的主墩距。拥有301米主要跨度的桥曾经是挪威最大的连续坚硬的框架桥。目前，拥有阿根廷巴拉圭桥、杨达桥、滨桥等200米以上跨度的预应力混凝土桥，与预应力混凝土箱体拱桥的开发趋势相比，为数不多。

2.2、预应力混凝土箱梁裂缝研究的意义

由于车辆和环境的连续影响，混凝土桥必然会出现一些不同的疾病特性。对于预应力混凝土连续箱位结构，应该注意结构的裂纹问题。现在，桥梁和位数领域中，结构裂纹问题最受关注。裂纹的出现和发展会造成钢筋腐蚀和结构外观的损伤、结构物的衰弱或损失。桥梁结构的崩溃主要从裂缝扩大开始。裂纹对桥梁性能的影响是多方面的。一个是对桥梁服务性能的影响。裂纹降低了桥梁的刚性，增加了变形，中跨度偏转超过了极限，这影响了正常使用。严重的裂纹问题导致桥梁结构的支撑力下降，影响桥梁的安全性能。另一个是对桥梁的耐久性和使用寿命的影响。

2.3、预应力混凝土箱梁常见裂缝及问题分析

桥病的正确诊断是加强桥的重要前提条件。桥损伤的原因伴随着很多因素和侧面，而且与很多领域有很大的关联性。很多理论和实验表明，预应力混凝土结构的损伤和破坏一般从混凝土的裂缝开始。预应力混凝土结构有许多类型的裂纹，但通常是由于外部负荷引起的结构裂纹。第二种类型是结构裂纹，第二种类型是由于变形引起的非结构性裂纹。本质和损伤效果的两种裂缝之间有明显的区别。有时，他们会作为一种类型出现，但有时，他们会一起混在一起。在这两种类型的裂纹中，变形引起的非结构性裂纹是主要部分，约占80%的由负载引起的结构裂纹占约20%的小比例。

三、超宽翼缘单箱多室有限元分析

3.1、宽翼缘薄壁箱梁的刚性扭转应力分析

一定断面的箱位不受纵向限制，扭矩起作用时，断面可以凸或自由凹下时的扭曲被称为箱位的自由扭转。一般来说，箱位横截面的板厚较大，或者在扭向时有为了不使横截面的周围变形而粘在一起的角。自由扭转被认为是没有纵向约束的刚性旋转的一种。扭簧下仅产生扭剪应力，但不产生纵向法线应力。光束具有纵向位移，但是没有纵向变形。箱位端部如果有强烈的隔膜，一旦产生扭曲，自由凹形的凸部就会被限制，长度方向的纤维会受到拉伸和压缩。这种现象被称为箱位的拘束螺丝。约束扭转产生约束扭曲法线应力，可以抑制扭转剪切应力。受约束的扭向应力通常存在于平坦或狭窄的箱位或可变部分箱位中。横截面的法向应力没有均匀分布，导致伴随杆的弯曲和弯曲的剪切流。

3.2、宽翼缘薄壁箱梁的畸变应力分析

使用长跨度预应力混凝土箱位桥可以提高跨度容量，因此箱位的大小变轻，变薄的同时，为了容易构造，减少重量，跨度之间的隔膜数少的情况下不能满足箱位部不变形的要求。在反对称载荷的作用下，区域不仅会扭曲还会变形。扭曲伴随着扭曲。由于应变的存在，横截面弯曲，产生纵向弯曲法线应力和弯曲剪切应力，同时也产生横向应力。国内外学者进行了箱位变形应力分析的工作。分析方法是广义坐标法，弹性基础梁类推法等，数值方法包括有限带板法，有限元法，差分法。

3.3、有限元模型

使用耦合有限元模型建立模型。考虑到模型的计算尺度，选择了三个跨度模型。箱位混凝土和轴承环块采用了固态元素，预压式钢酮采用了框架元素。预应力钢梁单元和箱位混凝土单元在共同节点处处理。通过冷却钢梁单元来模拟预应力载荷。冷却值是指用于调试和应用的钢梁桥应力的整体计算。在固态模型中，考虑到轴承的支撑尺寸，用固态元件模拟了轴承的有效环块，并考虑了法向桥墩上部的峰值切割效应。这在高速公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥及卡尔伯特（JTG D62-2004）设计标准的中规定。

3.4、分析结果

由于延遲现象与结构形式，截面尺寸，负载形式和截面位置有关，所以分析了各种单载荷和主组合下不同截面位置的剪切延迟系数。综合研究了每个位置的剪切延迟系数，表明最明显的剪切延迟效应是桥墩上部的截面，也是负弯曲矩的最大部分。显示了桥墩顶部边缘的桥接方向法线应力的分析结果，并与包括剪切延迟的模型进行比较。在死路（减去预压）的条件下，沿着箱位的桥接方向的垂直应力，在栈桥上部的峰值拉伸应力为7.22MPa的单个预应力负载下，沿着箱位的桥接方向的垂直应力。

四、小结

由于棒模型分析不能反映结构的应力，所以计算和分析需要固态有限元模型。根据分析结果，根据类A部件控制横向应力，确定了紧固肋条宽度，刚性肋条的间隔和横向压力的配置。如果横双列支撑体的中心间隔太小，则需要确认支撑体的主光束的跌倒和最小支撑反应。当前没有明确规定主光束的整体反倒置检查计算。假定主光束整体具有刚性，并根据矩平衡法（杠杆法）进行适当的检查计算。这种计算方法可以用作同样桥梁的检修计算标准。

参考文献：

[1]张士锋，邓小华，王文州﹒箱形薄壁梁剪力滞效应[M].北京：人民交通出版社，1998..

[2]靳欣华，郑凯锋﹐陈艾荣.分析桥梁结构剪力滞效应的新方法[J.重庆交通学院学报，2002，（12）;4--8..

[3] 徐伟.预应力混凝土连续箱梁桥剪力滞效应分析[J四川建筑，2009，（2）：137—138...

作者简介：马莉骍，1982.9-），女，汉族，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事铁道工程研究

基金项目：（武汉铁路职业技术学院招标，超宽翼缘单箱多室预应力混凝土箱梁设计关键技术在铁路施工中的应用研究，QZB202004）