大挑臂寬扁混凝土箱梁空間應力分析

葉如

（寧波軌道交通集團有限公司，浙江 寧波　315100）

大挑臂寬扁混凝土箱梁空間應力分析

葉如

（寧波軌道交通集團有限公司，浙江 寧波315100）

以目前城市高架橋梁中常見的大挑臂寬扁斷面方案為主要研究對象，對其縱向正應力的全斷面分布進行有限元分析，得出正應力分布規律，從而指導工程設計。

大挑臂；寬扁；混凝土箱梁；應力分析

0　引言

近十多年來，隨著我國經濟的蓬勃發展，貨物和人的交通運輸需求日益增加，城市高架道路建設在全國各地全面鋪開。城市高架道路上的橋梁由于景觀需求，橋梁上部結構往往會采用大挑臂、斜腹板斷面形式。

圖1、圖2所示為城市高架中較為常用的斷面形式。該方案主線標準斷面結構頂寬25.2 m，底寬11.0 m，挑臂長4.0 m。斷面頂面橫坡為雙向2%，底面水平，道路中心線處梁高2.2 m。跨中斷面頂板厚0.25 m，底板厚0.22 m，腹板厚0.4 m；墩頂斷面頂板厚0.25 m，底板厚0.40 m，腹板厚0.7 m。為達到大懸臂的效果，采用斜度較大且為弧線型的外腹板。考慮這種外腹板受力復雜且剪力傳遞效率較差［1］，故減小其厚度，弱化其抗剪作用，而單純地作為支撐邊挑臂的加勁撐桿之用。

圖1　橋墩處橫斷面圖（單位：cm）

這種大挑臂、斜腹板的斷面形式使得橋梁上下部結構渾然一體，減少壓迫感。但是從結構受力方面來分析，過大的挑臂和斜度較大的腹板，不但使得結構橫向受力變復雜（大于2.5 m的挑臂使得規范檢算公式不再適用，大斜度的腹板使頂板變為拉彎構件），而且使得結構縱向正應力全斷面分布不再復合初等梁理論［2］。本文就以縱向正應力的全斷面分布為切入點對箱梁進行空間應力分析。

1　分析概況

高架工程設計中最為典型的上部結構為30 m+ 30 m+30 m的連續梁，故以此三跨一聯的連續梁作為本文的研究對象。為了簡化計算，只建立半橋模型。半橋幾何模型如圖3所示。

梁體結構中混凝土部分采用Solid65實體單元模擬，預應力鋼束采用link8單元模擬，并通過設置link8單元的初應變來施加預應力［3］。在支座位置和跨中斷面施加相應的邊界條件。有限元模型見圖4，鋼束模型見圖5。

對于預應力混凝土箱梁，恒載基本占其總荷載的60%以上，而汽車活載一則比例稍小，二則可通過乘以1.1～1.5的不均勻系數加以考慮，因此本文未作考慮，僅計恒載工況，具體考察工況如下：

（1）恒載（含二期恒載）

（2）恒載（含二期恒載）+預應力

2　分析結果

分析結果同時提供在上述兩種荷載工況下邊墩墩頂、邊跨跨中、中墩墩頂和中跨跨中斷面的正應力，斷面位置見圖6。

圖2　跨中斷面圖（單位：cm）

圖3　半橋幾何模型圖

圖4　半橋有限元模型圖

圖5　預應力鋼束圖

圖6　應力分析斷面位置示意圖（單位：cm）

2.1恒載（含二期恒載）

恒載（含二期恒載）作用下各斷面應力結果如圖7～圖9所示。

圖7　半橋應力圖（一）

圖8　各斷面應力圖（一）

從以上計算結果可以看出：在恒載作用下，各斷面頂板縱向正應力橫向分布極不均勻，可見大挑臂扁平箱梁在彎矩作用下剪力滯效應極為明顯，最大剪力滯系數可達1.8左右（不考慮梁端1-1斷面局部應力紊亂區），且在墩頂附近挑臂端部應力大于腹板附近應力，即出現負剪力滯現象。表1為恒載工況下各斷面應力分析表。

2.2恒載（含二期恒載）+預應力

恒載（含二期恒載）+預應力作用下各斷面應力結果如圖10～圖12所示。

從以上計算結果可以看出：在恒載和預應力作用下，除梁端（1-1斷面）局部傳力區外，各斷面頂板縱向正應力橫向分布較不均勻，但較恒載作用下有明顯改善，最大剪力滯系數為1.3左右。其原因主要是預應力的軸力效應，根據圣維南原理，軸向集中力經過一定的擴散區域后可在全斷面較為均勻地分布。因此，當用初等梁理論計算預應力箱梁時，正如《公路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土設計規范》中規定的那樣，對于計算軸向力引起正應力時宜采用全斷面，而計算彎矩引起正應力時應采用考慮有效寬度后斷面［4］。表2為恒載+預應力工況下各斷面應力分析表。

表1　恒載工況下各斷面應力分析表　MPa

圖9　各斷面頂、底板正應力橫向分布圖（單位：MPa，m）

圖10　半橋應力圖（二）

圖11　各斷面應力圖（二）

圖12　各斷面頂、底板正應力橫向分布圖（二）（單位：MPa，m）

表2　恒載+預應力工況下各斷面應力分析表　MPa

3　結語

梁是一種一個維度方向的尺度遠大于另外兩個維度方向尺度的構件，而大挑臂扁平箱梁橫向尺度幾乎和軸向的尺度接近，已不滿足作為梁構件的前提，因此大挑臂扁平箱梁分析時應充分考慮縱向正應力在橫向的不均勻分布。根據該工程的計算分析，當大挑臂扁平箱梁作為鋼筋混凝土構件時，最大剪力滯系數可達1.8，故應進行較為精細的分析以保證設計安全；當大挑臂扁平箱梁作為預應力混凝土構件時，正應力不均勻性不是很明顯，根據規范或相關文獻的資料來計算即可達到工程設計的精度。

［1］許慧峰，應天益.預應力混凝土弧形腹板箱梁空間受力分析［J］.上海公路，2012（1）：32-35.

［2］徐科英.預應力混凝土弧形底多箱室梁結構分析及設計方法研究［D］.上海：同濟大學，2005.

［3］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

U441+.5

B

1009-7716（2016）07-0133-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.039

2016-04-11

葉如（1985-），男，浙江寧波人，工程師，從事市政工程建設工作。