支承形式對波形鋼腹板預應力混凝土曲線箱梁剪力滯效應的影響

鄒建波，趙人達

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

曲線箱梁橋在城市橋梁中應用普遍，常見于城市立交橋中或者地形條件受限制的橋位處，具有線形美觀、行車舒適、適應地形等優點。曲線梁橋的支承形式多種多樣，不同支承形式對上部結構內力影響非常大[1]。根據結構受力特點，單跨彎橋的典型支承形式有4種:靜定中心支承、靜定偏心支承、超靜定中心支承、超靜定偏心支承，見圖1。箱梁受豎向作用后，由于翼緣板平面內剪切變形的影響，使其縱向彎曲正應力的分布呈現不均勻性，產生剪力滯效應。尤其在大曲率彎橋中，這一差異更加明顯。

圖1 單跨彎橋常用支承形式

波形鋼腹板曲線箱梁橋類似于普通箱梁橋，其抗扭剛度稍低。許多學者對普通PC曲線箱梁的剪力滯效應做了大量研究，但在分析波形鋼腹板PC曲線箱梁剪力滯效應方面獲得的成果不多[2-9]。羅旗幟等[10]建立了薄壁曲線箱梁的有限元模型，比較了箱梁剪力滯系數的理論計算值和模型試驗值，分析了有無角隅承托等因素對箱梁剪力滯效應的影響；任大龍等[11]針對橫隔板的位置和數量對波形鋼腹板曲線箱梁頂板內外沿的縱向正應力作了系統的研究；盧海林等[12]在討論了移動荷載和結構幾何參數變化對曲線箱梁剪力滯效應的影響規律后，給出了計算曲線箱梁剪力滯系數的經驗公式。本文主要圍繞不同支承形式對波形鋼腹板曲線箱梁的剪力滯效應的影響開展研究。

1 有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS建立曲率半徑為50 m，圓心角為30°的單跨波形鋼腹板PC曲線箱梁的力學模型。箱梁梁高為 2 m，頂板寬 6 m，懸臂長1.25 m，底板寬3.5 m，頂、底板厚0.25 m的單箱單室截面。兩端設厚度為0.8 m的端隔板。波形鋼腹板厚為1 cm，波長0.9 m，直幅寬0.25 m，斜幅寬0.2 m，波高0.12 m。混凝土強度等級為C55，采用二次單元Solid95模擬。鋼腹板為Q345C優質低碳鋼，使用板單元Shell63模擬。混凝土結構的網格為近似正方體、翼緣板高度方向劃分成4個單元。鋼腹板在混凝土頂、底板和隔板處共用節點。有限元模型如圖2所示。

圖2 波形鋼腹板曲線箱梁有限元模型

2 單跨曲線箱梁的剪力滯效應

2.1 典型截面應力橫向分布

圖3是跨中集中荷載下跨中截面縱向正應力沿橫向的分布，圖4是全橋分布荷載下跨中截面縱向正應力沿橫向的分布，坐標原點在曲線箱梁內側，x軸沿箱梁寬度方向。

圖3 集中荷載下跨中截面縱向正應力沿橫向的分布

圖4 全橋分布荷載下跨中截面縱向正應力沿橫向的分布

從圖3可以看出:單跨曲線箱梁在跨中截面的縱向正應力橫向分布規律是翼緣板的應力峰值出現在與腹板連接處，且應力沿著橫向迅速降低，如典型的正剪力滯效應。4種常見支承形式下，應力的分布趨勢完全一致，應力在數值上相差也很小，靜定中心支承下應力水平最低，超靜定偏心支承下應力水平最高，內側應力為-2.31 MPa，外側應力為-2.14 MPa。內外側應力差值為7.36%。底板的縱向正應力在兩側最大，中心最小。所有邊界條件中，靜定中心支承應力最小；超靜定偏心支承應力最大，內側應力為1.71 MPa，大于外側應力1.28 MPa。內外側應力差值為25.12%。底板應力在內側要大于外側，底板應力不均勻程度更嚴重。

從圖4可以看出:單跨曲線箱梁在分布荷載下內側應力要顯著高于外側，最大值出現在頂板與內側腹板的交點位置。頂板的應力水平要低于底板。在4種常見支承形式下，靜定中心支承的平均應力最小，其次是超靜定中心支承，再次是超靜定偏心支承，最大的是靜定偏心支承。

2.2 剪力滯系數縱向分布

以梁端為坐標原點，曲線箱梁的中軸線為x軸，剪力滯系數為y軸，得到單跨曲線箱梁的剪力滯系數沿縱向的分布，如圖5和圖6所示。

圖5 靜定支承下剪力滯系數沿縱向的分布

圖6 超靜定支承下剪力滯系數沿縱向的分布

從圖5和圖6可以看出:集中荷載作用下，翼緣板的剪力滯系數在跨中截面最大(集中荷載作用截面)，沿縱向迅速減少，而后趨于平緩，在靠近支承處又急速增大。由于靠近支承處的彎矩值較小，過大的剪力滯系數導致的應力集中程度并不嚴重。靜定中心支承、靜定偏心支承、超靜定中心支承、超靜定偏心支承下跨中截面的最大剪力滯系數依次為1.93，1.90，1.90，1.85。分布荷載作用下，剪力滯系數沿縱向變化相對平緩，從跨中沿縱向逐漸減小，在臨近支承處剪力滯系數顯著增加。在4種支承形式下，跨中控制截面的剪力滯系數均在1.16左右，差異較小。內側的剪力滯系數要大于外側，因此，應該加強內側配筋。

3 結論

1)單跨曲線箱梁在跨中集中荷載作用下，頂板應力峰值出現在翼緣板與腹板連接處，底板應力內側大于外側，頂底板應力均在靜定中心支承下最小。

2)單跨曲線箱梁在分布荷載作用下內側應力要顯著高于外側，頂板的應力水平要低于底板。在4種常見支承形式下，靜定中心支承的平均應力最小。

3)單跨波形鋼腹板曲線箱梁在集中荷載作用下，靜定中心支承、靜定偏心支承、超靜定中心支承、超靜定偏心支承對應的最大剪力滯系數分別為1.93，1.90，1.90，1.85。在分布荷載作用下，4種支承對應的跨中控制截面的剪力滯系數均在1.16左右，差異較小。