軌道交通W型槽梁在頂推施工中時變剪力滯效應

衛 星，古興宇，戴李俊，肖 林

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

剪力滯是由于翼緣板剪切變形不均勻，引起彎曲時遠離腹板的翼緣縱向位移滯后于近腹板的翼緣縱向位移，從而導致彎曲應力呈非均勻分布。若分布正應力大于初等梁理論的正應力，即稱之為正剪力滯效應，反之為負剪力滯效應。而截面形式不同，其剛度分布不同，剪力滯效應存在較大差異[1]。

槽型梁以其高度小、噪音低在鐵路橋梁建設中發揮著重要作用[2]。不少學者分析了支座約束[2]、荷載[3-4]、構造形式[5-9]和材料類別[10-11]等對箱梁、T梁剪力滯效應的影響，對于槽型梁的剪力滯效應的研究相對較少。有學者基于能量變分法對槽型梁剪力滯問題進行分析，得出剪力滯效應計算公式，并得出槽型梁有效寬度計算方式[12]。

橋梁在頂推施工過程中，截面彎矩不斷變化，導致翼緣板上的正應力分布也隨施工過程不斷變化，研究橋梁頂推過程中的時變剪力滯效應對于保證施工安全具有重要意義。本文利用Midas和Ansys建立某軌道交通W型槽梁有限元模型進行施工階段模擬，得到了施工過程中W型槽梁彎矩和剪力滯效應，并總結了剪力滯效應的時變規律。

1 工程概況

某軌道交通W型槽梁為預應力混凝土連續梁結構，跨度布置為45 m+65 m+45 m，采用變高槽型截面，底板為平坡，梁高由4.5 m圓弧形變化為2.5 m，主梁構造如圖1所示。

圖1 主梁構造圖（單位：mm）

該橋跨越既有高速公路，為減少對既有交通的干擾，主梁分三段現澆，中間梁段現澆后頂推就位，再支架現澆兩側梁段。頂推前需在高速路兩側設置臨時支墩，頂推時不需進行封閉交通。待梁體全部澆筑完畢，并張拉完所有預應力后，拆除臨時支墩。頂推過程示意圖如圖2所示。

圖2 頂推施工示意圖（單位：mm）

2 施工過程時變剪力滯分析

2.1 有限元計算模型

根據橋梁設計資料，利用Midas建立三維梁單元模型（圖3），利用Ansys建立三維實體有限元模型（圖4）。利用Midas梁單元模型可分析得到結構內力及截面平均應力σMidas（基于初等梁理論），利用Ansys模型可分析得到截面任意點應力分布σAnsys。

圖3 Midas有限元模型圖

圖4 Ansys有限元模型圖

截面上的剪力滯系數λ可定義為：

2.2 施工過程中的彎矩時變特性

利用Midas分析得到恒載作用下梁體內力，選擇分析的典型截面為跨中截面和最大懸臂時的支點截面。跨中截面代表橋梁最大正彎矩截面，最大懸臂時的支點截面代表橋梁最大負彎矩截面。其他截面的受力情況應在這兩者之間。計算得出兩個控制截面彎矩隨頂推距離的變化情況如圖5所示。

圖5 頂推過程彎矩時變圖

由圖可知，跨中截面和最大懸臂支點截面一直在正彎矩和負彎矩的交替作用下。其中最大懸臂支點截面彎矩波動幅值較大，最大負彎矩出現在施工過程中頂推37.4 m處，最大正彎矩出現在頂推60 m處。

2.3 施工過程中時變剪力滯效應

W型槽梁設置有3塊腹板與底板連接。由于底板剪切變形的不均勻性，導致縱橋向彎曲應力沿橫橋向非均勻分布。根據Ansys計算得出跨中截面及最大懸臂支點截面在頂推過程中底板處縱橋向正應力分布剪力滯系數如圖6及圖7所示。

圖6 跨中截面底板應力分布時變圖

圖7 最大懸臂支點截面底板應力分布時變圖

通過對頂推過程中應力分布特點進行總結，可以發現：1）頂推過程中，梁截面剪力滯效應發生變化，甚至相同位置出現了剪力滯正負性質改變；2）負剪力滯效應多出現于兩側腹板位置，而正剪力滯效應多出現于中間腹板位置；3）中間腹板和兩側腹板的剪力滯效應大都呈現相反趨勢，顯示著腹板之剪力滯效應存在約束關系；4）頂推過程中剪力滯效應時變曲線呈現出類似趨勢。

剪力滯系數之所以表現出時變特征，一方面頂推施工過程中結構體系從懸臂梁向簡支梁轉化，于此同時截面內力（彎矩、剪力）不斷變化，另一方面不同截面的剛度分布不同，使得正、負彎矩帶來不同的應力分布。

2.4 施工過程中剪力滯系數的變化分析

在頂推過程中，梁截面的最大和最小剪力滯系數的時變曲線如圖8所示。

圖8 剪力滯系數時變圖

結合數據和圖形可以發現：1）剪力滯系數是一個隨頂推過程不斷來回變化的數值，且變化幅值不可忽視；2）最大懸臂支點截面剪力滯變化幅值相對較大，其中負剪力滯最低約為初等梁理論值的0.79倍，正剪力滯最大約為初等梁理論值的1.58倍；3）跨中截面剪力滯變化幅值相對較小，其中負剪力滯最低約為初等梁理論值的0.91倍，正剪力滯最大約為初等梁理論值的1.06倍，剪力滯效應相對不明顯；4）與圖5對比發現，最大懸臂支點截面的最大正剪力滯系數隨著彎矩的變化產生相同趨勢的變化，而跨中截面可能由于剪力滯效應不明顯導致類似規律不十分明顯。

3 結束語

1）頂推過程中梁體截面正負彎矩交替出現，且最大懸臂支點截面彎矩波動幅值更大。剪力滯效應會隨頂推過程不斷變化，并可能出現正負性質的更變。

2）負剪力滯效應多發在槽型梁截面兩側腹板位置；正剪力滯效應多出現在梁截面中間腹板位置。兩側腹板和中間腹板剪力滯效應大多呈相反正負性質，可以預見兩側腹板和中間腹板存在一定制約關系。

3）跨中截面剪力滯效應相對較弱，剪力滯系數變化不明顯，在工程中認為基本可按照規范進行設計和施工，不需做多考慮。最大懸臂支點截面剪力滯效應不可忽視，剪力滯系數幅值約在0.79～1.58范圍內出現。在工程設計中要做到充分考慮。

4）彎矩變化幅值越大，剪力滯系數變化幅值也更大。該槽型梁中，底板的剪力滯效應時變曲線與彎矩的時變曲線存在一定關系。在正彎矩達到最大時，出現最大正剪力滯系數。