超寬翼緣單箱多室預應力混凝土箱梁設計關鍵技術應用研究

摘要：隨著中國高速公路和城市公路的快速發展，高架公路和高速公路出入口被廣泛使用。預應力混凝土曲線位橋是現代交通基礎設施的重要橋梁形式。重要研究理論例如：曲線梁橋的基本理論和計算方法，彈性薄壁結構理論，平面彎曲梁的平面微分方程，圓弧微分方程。還對廣泛使用的結構分析有限元方法進行了理論基礎和開發。因此，使用有限元分析程序建立結構模型，計算影響預應力混凝土曲梁橋應力的主要原因，并使用參數變動法進行比較。對曲率半徑，支撐偏移配置，安裝支撐的設定，系統溫度，溫度梯度配置以及影響彎曲橋應力有很大的影響。

關鍵詞：超寬翼緣單箱，預應力，混凝土，關鍵技術，現狀分析.

一、引言

預應力混凝土連續箱位橋被廣泛用于大的橫向扭轉剛度，變形，平滑對齊，簡單的施工技術和合理的經濟指標的優點。目前，在長位橋上，長的懸臂梁和寬幅箱部被廣泛使用，減少了自重，便于建設。隨著城市交通需求的增加，城市的過多使用了長的懸臂梁和大的箱位數剖面。由于大的間隔，寬的橫向和薄的箱位壁，這種寬的箱位在橋的橫向上具有剪切延遲效應，導致不均勻的橫向應力分布。獲得有效寬度的方法多為差分法，能量波動法，類比法等。這些方法通常需要求解微分方程。

二、混凝土箱梁設計的現狀

2.1、國內外預應力混凝土箱梁橋的發展

國外自第一次產業革命以來，由于高強度鋼、高強度水泥的發明和高速發展，混凝土橋、預應力混凝土橋和鋼橋也蓬勃發展。1930年代以后，預應力混凝土箱位橋是法國和德國最先建造的。1937年（昭和11年），建成了33m跨度的重型鋼筋混凝土單純支撐梁橋和69m跨度的加固懸臂橋。1960年代中期以后，在德國的萊茵河上，通過坎德貝克·比林法建設，懸臂注入法和懸臂施工法連續提高，完成并普及。預應力混凝土連續梁橋是許多國家廣泛使用的橋的類型之一。世界最大的預應力混凝土連續橋是1994年建成的挪威的橋，260米的主墩距。擁有301米主要跨度的橋曾經是挪威最大的連續堅硬的框架橋。目前，擁有阿根廷巴拉圭橋、楊達橋、濱橋等200米以上跨度的預應力混凝土橋，與預應力混凝土箱體拱橋的開發趨勢相比，為數不多。

2.2、預應力混凝土箱梁裂縫研究的意義

由于車輛和環境的連續影響，混凝土橋必然會出現一些不同的疾病特性。對于預應力混凝土連續箱位結構，應該注意結構的裂紋問題。現在，橋梁和位數領域中，結構裂紋問題最受關注。裂紋的出現和發展會造成鋼筋腐蝕和結構外觀的損傷、結構物的衰弱或損失。橋梁結構的崩潰主要從裂縫擴大開始。裂紋對橋梁性能的影響是多方面的。一個是對橋梁服務性能的影響。裂紋降低了橋梁的剛性，增加了變形，中跨度偏轉超過了極限，這影響了正常使用。嚴重的裂紋問題導致橋梁結構的支撐力下降，影響橋梁的安全性能。另一個是對橋梁的耐久性和使用壽命的影響。

2.3、預應力混凝土箱梁常見裂縫及問題分析

橋病的正確診斷是加強橋的重要前提條件。橋損傷的原因伴隨著很多因素和側面，而且與很多領域有很大的關聯性。很多理論和實驗表明，預應力混凝土結構的損傷和破壞一般從混凝土的裂縫開始。預應力混凝土結構有許多類型的裂紋，但通常是由于外部負荷引起的結構裂紋。第二種類型是結構裂紋，第二種類型是由于變形引起的非結構性裂紋。本質和損傷效果的兩種裂縫之間有明顯的區別。有時，他們會作為一種類型出現，但有時，他們會一起混在一起。在這兩種類型的裂紋中，變形引起的非結構性裂紋是主要部分，約占80%的由負載引起的結構裂紋占約20%的小比例。

三、超寬翼緣單箱多室有限元分析

3.1、寬翼緣薄壁箱梁的剛性扭轉應力分析

一定斷面的箱位不受縱向限制，扭矩起作用時，斷面可以凸或自由凹下時的扭曲被稱為箱位的自由扭轉。一般來說，箱位橫截面的板厚較大，或者在扭向時有為了不使橫截面的周圍變形而粘在一起的角。自由扭轉被認為是沒有縱向約束的剛性旋轉的一種。扭簧下僅產生扭剪應力，但不產生縱向法線應力。光束具有縱向位移，但是沒有縱向變形。箱位端部如果有強烈的隔膜，一旦產生扭曲，自由凹形的凸部就會被限制，長度方向的纖維會受到拉伸和壓縮。這種現象被稱為箱位的拘束螺絲。約束扭轉產生約束扭曲法線應力，可以抑制扭轉剪切應力。受約束的扭向應力通常存在于平坦或狹窄的箱位或可變部分箱位中。橫截面的法向應力沒有均勻分布，導致伴隨桿的彎曲和彎曲的剪切流。

3.2、寬翼緣薄壁箱梁的畸變應力分析

使用長跨度預應力混凝土箱位橋可以提高跨度容量，因此箱位的大小變輕，變薄的同時，為了容易構造，減少重量，跨度之間的隔膜數少的情況下不能滿足箱位部不變形的要求。在反對稱載荷的作用下，區域不僅會扭曲還會變形。扭曲伴隨著扭曲。由于應變的存在，橫截面彎曲，產生縱向彎曲法線應力和彎曲剪切應力，同時也產生橫向應力。國內外學者進行了箱位變形應力分析的工作。分析方法是廣義坐標法，彈性基礎梁類推法等，數值方法包括有限帶板法，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。考慮到模型的計算尺度，選擇了三個跨度模型。箱位混凝土和軸承環塊采用了固態元素，預壓式鋼酮采用了框架元素。預應力鋼梁單元和箱位混凝土單元在共同節點處處理。通過冷卻鋼梁單元來模擬預應力載荷。冷卻值是指用于調試和應用的鋼梁橋應力的整體計算。在固態模型中，考慮到軸承的支撐尺寸，用固態元件模擬了軸承的有效環塊，并考慮了法向橋墩上部的峰值切割效應。這在高速公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋及卡爾伯特（JTG D62-2004）設計標準的中規定。

3.4、分析結果

由于延遲現象與結構形式，截面尺寸，負載形式和截面位置有關，所以分析了各種單載荷和主組合下不同截面位置的剪切延遲系數。綜合研究了每個位置的剪切延遲系數，表明最明顯的剪切延遲效應是橋墩上部的截面，也是負彎曲矩的最大部分。顯示了橋墩頂部邊緣的橋接方向法線應力的分析結果，并與包括剪切延遲的模型進行比較。在死路（減去預壓）的條件下，沿著箱位的橋接方向的垂直應力，在棧橋上部的峰值拉伸應力為7.22MPa的單個預應力負載下，沿著箱位的橋接方向的垂直應力。

四、小結

由于棒模型分析不能反映結構的應力，所以計算和分析需要固態有限元模型。根據分析結果，根據類A部件控制橫向應力，確定了緊固肋條寬度，剛性肋條的間隔和橫向壓力的配置。如果橫雙列支撐體的中心間隔太小，則需要確認支撐體的主光束的跌倒和最小支撐反應。當前沒有明確規定主光束的整體反倒置檢查計算。假定主光束整體具有剛性，并根據矩平衡法（杠桿法）進行適當的檢查計算。這種計算方法可以用作同樣橋梁的檢修計算標準。

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作者簡介：馬莉骍，1982.9-），女，漢族，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事鐵道工程研究

基金項目：（武漢鐵路職業技術學院招標，超寬翼緣單箱多室預應力混凝土箱梁設計關鍵技術在鐵路施工中的應用研究，QZB202004）