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摘要：单箱单室宽悬臂混凝土箱梁结构的空间受力问题十分复杂，在桥梁设计中往往要通过考虑剪力滞效应，以真实地反应结构的实际应力状态。以悬臂长度近6m的5×35m预应力混凝土连续梁桥为例，采用大型桥梁结构设计软件MIDAS CIVIL和通用有限元软件ANSYS对结构进行细致全面对比分析，从而可以准确把握单箱单室宽悬臂混凝土箱梁结构的剪力滞效应和扭转效应，以提高该桥梁结构的安全性。
关键词：混凝土桥梁；剪力滞效应；宽悬臂；有限元分析
Abstract：The stress problem of the single box single room concrete box girder structure with wide cantilever is very complicated. During the design of this type of bridge，the shear lag effect used to be consider，in order to reflect actual stress state of bridge structure. A 5×35 m pre-stressed concrete continuous girder bridge with 6m length cantilever was taken as an example in this study. The bridge structural design software（MIDAS CIVIL）and the general finite element software（ANSYS）is applied for a detailed comprehensive comparison and analysis，which can accurately grasp the single box single room the shear lag effect of wide cantilever concrete box girder structure and reverse effect，in order to improve the safety of the structure of the bridge.
Keywords：concrete bridge；shear lag effect；wide cantilever；finite element analysis
1.引言
混凝土箱梁截面是预应力钢筋混凝土桥梁中常用的截面形式，由于这种截面具有自重轻、抗弯抗扭性能好等优点，在桥梁结构中得到了广泛的应用和推广[1，2]。特别是随着我国现代化交通事业的不断发展和城市化进程的快速推进，桥梁工程在城市公共交通中的重要性日益显著。很多新桥型不断出现，各种各样的桥梁截面结构被采用，宽悬臂钢筋混凝土箱形桥梁因其占地较少、造型美观的特点，被很多城市桥梁所采纳[3]。
本文以悬臂长度近6m的5×35m预应力混凝土连续梁桥为工程背景，采用大型桥梁结构设计软件MIDAS CIVIL和通用有限元软件ANSYS对结构进行细致全面对比分析，从而可以准确把握单箱单室宽悬臂混凝土箱梁结构的剪力滞效应和扭转效应，以提高该桥梁结构的安全性。
2.工况背景
算例桥梁为等跨径现浇预应力混凝土连续箱梁桥方案，是沈阳四环线上浑河景观桥的左引桥部分，跨径布置为 6×35m，全长210m；主梁采用分幅单箱单室大挑臂斜腹板断面，单幅桥宽18.25m，主梁梁高2.2m。桥面铺装总厚度为13cm，下层为5cm厚C40混凝土调平层，中间层防水层，上层为8cm厚沥青铺装。墩身采用分离式哑铃形截面实体墩，承台采用分离式矩形承台，单墩基础采用钻孔灌注桩，桥台采用一字型桥台，桥台基础采用桩基础。为与主桥的景观效果保持一致，引桥采用分幅单箱单室大挑臂断面。为解决大挑臂的受力问题，采用了挑臂下部施加横肋的方式，横肋与主桥挑臂横隔板类似。单幅桥宽18.25m，单箱单室。梁高2.2m，顶板在标准梁段厚28cm，支点处加厚到60cm；底板在标准梁段厚26cm，支点处加厚到50cm，底板宽度6m；斜腹板在标准梁段厚50cm，支点处加厚到80cm；翼缘板悬臂长5.325m。箱梁在中间桥墩墩顶处设180cm厚的中横隔板，在每联梁端桥墩墩顶处设155cm厚的端横隔板。通过箱梁内、外侧垫石的不同高度实现2%的桥面横坡。支点及跨中位置截面形式如图1所示。
（a）支点截面
（b）跨中截面
图1 箱梁截面示意图（单位：cm）
3.有限元建模
算例桥梁的翼缘的宽度很大，如图1所示，对于宽翼缘箱梁截面，在受到对称垂直力作用时，其上、下翼缘的正应力存在沿宽度方向的分布是不均匀的剪力滞现象。在实际工程设计中，如果按照精确的剪力滞计算公式或者空间有限元来分析结构的截面应力是十分不方便的，因此工程上通常通过翼缘有效宽度法对箱梁翼缘宽度进行折算[7]，本文通过计算有效分布宽度考虑剪力滞的效应，MIDAS CIVIL中提供了有效分布宽度的自动计算的模块[6]，用于考虑箱形截面的剪力滞效应，在本报告中将分别给出不考虑剪力滞效应和考虑剪力滞效应时箱梁截面应力结果，以供对比。上部结构共划分为154个节点和139个单元，有限元离散模型如图2所示：
图2 MIDAS杆系有限元模型
为了与杆系有限元结果进行对比研究，本文还采用空间ANSYS实体单元模型进行了分析，同样选取6×35m跨箱梁结构为分析对象，考虑到荷载的横向偏载以及纵向桥跨最不利布置的影响，根据设计图纸的结构布置和尺寸、预应力布置等建了全桥的实体模型中，全桥共划分单元数733744个，生成节点数916925个。全桥实体有限元模型如图3所示。
实体模型中凝土采用SOLID45单元模拟，全桥网格划分采用六面体单元扫略进行划分，网格大小0.1m-0.15m，局部适当加密。混凝土顶板和底板各划分4层单元，以方便预应力等效荷载的布置。对于有挑梁、横梁以及预应力筋弯起的位置均切分为结构面以提高加载的准确性。预应力采用等效荷载法进行模拟。
图4为成桥阶段恒载作用下主梁上、下缘的平均应力计算结果。由图可知，考虑箱梁剪力滞效应时，无论是截面上缘还是下缘的应力绝对值均比不考虑剪力滞效应的情况大，而且差值比较明显。因此，基于杆系模型进行设计时需要考虑了剪力滞效应。由于篇幅所限，图5仅给出了恒载作用下0#桥台支点截面处和边跨跨中截面处在顺桥向的应力云图和上、下缘的应力路径图。
5. 计算结果对比分析
恒载作用下各支点截面和跨中截面应力结果如表1所示。由表可知，恒载作用下，对于各支点截面，其下缘最大压应力-12.1MPa~-7.3MPa，上缘最大应力-3.1~1.4MPa（拉应力出现在端支点梁顶悬臂）；对于各跨中截面，上缘最大压应力-9.1MPa~-7.8MPa，下缘最大应力-5.0MPa~-3.0MPa。除端支点梁顶悬臂部分出现拉应力1.4MPa外，总体压应力储备水平较高。由此可见，与MIDAS杆系模型的计算结果相比，由于MIDAS计算施工阶段以及预应力钢束张拉的不对称性，张拉端一侧和锚固端一侧各典型截面应力结果有较大差别。恒载作用下各支点截面和跨中截应力结果列于表1（其中MIDAS结果为考虑有效分布宽度后的结果）。显然，从表中结果可以看出，对于跨中截面下缘，正应力沿横向的分布还是比较均匀的；但明显不同的是在支点截面上缘，正应力沿横向的分布很不均匀，表现出很大的剪力滞效应。以1号和2号墩支点截面为例，在恒载作用下的剪力滞系数分别为1.38和1.29，从其它支点截面也可以发现同样的规律，剪力滞系数都不小于1.30，剪力滞效应明显。这一点是需要在桥梁设计中应该详细考虑。
由于本桥的大挑梁结构，在横向偏载作用下剪力滞效应和扭转效应影响将很大，故取活载最大偏载作用下各最不利截面的应力结果列于表2中，由表可知，应力峰值计算结果与考虑有效宽度的与midas杆系模型计算结果基本相符。同理计算可知，恒载+人群满布和恒载+汽车满布作用下，混凝土箱梁各最不利截面的最大压应力为-10.4MPa~-7.9MPa，最小压应力为-5.4MPa~2.7MPa，其中横隔板和边跨悬臂端部出现局部拉应力0.1MPa~2.2MPa（局部计算误差可忽略），这一点在构造上设置倒角或增加局部钢筋即可，不影响整体受力结果。整体应力水平满足规范要求。
6. 结论
本文以悬臂长度近6m的5×35m预应力混凝土连续梁桥为工程背景，采用大型桥梁结构设计软件MIDAS CIVIL和通用有限元软件ANSYS对结构进行细致全面对比分析，主要得到如下结论：
（1）基于ANSYS实体有限元模型得到的主梁应力峰值计算结果与考虑有效宽度的与midas杆系模型计算结果基本相符，在设计中采用MIDAS MIDAS CIVIL中提供了有效分布宽度自动计算模块进行计算是可知的。
（2）当考虑箱梁剪力滞效应时，无论是截面上缘还是下缘的应力绝对值均比不考虑剪力滞效应的情况大，而且差值比较明显。因此，采用杆系模型进行宽悬臂箱梁设计时需要考虑了剪力滞效应。
参考文献：
[1]范立础. 桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007
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[4]方志，曹国辉，王济川.钢筋混凝土连续箱梁剪力滞效应试验研究[J].桥梁建设，2000，（4）：1-3.
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[6]黄刚.超宽单箱单室箱梁剪力滞效应分析[J].公路交通技术，2010，（4）：56-58.
[7]刘美兰. MIDAS CIVIL在桥梁结构分析中的应用[M].北京：人民交通出版社，2012.
论文作者:屈财魏,李映坤,陈夑枫,雍邦
论文发表刊物:《基层建设》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/16
标签：截面论文; 剪力论文; 应力论文; 悬臂论文; 效应论文; 桥梁论文; 支点论文; 《基层建设》2018年第2期论文;