预应力混凝土弧形腹板箱梁空间受力分析.pdf

预 应 力 混 凝 土 弧 形腹 板 箱 梁空 间受 力分 析 许 慧峰 ，应 天益 同济大学建筑设计研究院( 集团) 有限公司， 上海2 0 0 0 9 2 摘要 ： 弧形腹板箱梁 由于其大悬臂 、 大宽跨 比的特点 ， 结构受 力与变形 空间效应 突 出， 采用单 一的平 面杆系模 型不能 完伞把 握结构的受力特性 。为此 ， 结合萧山东人城 口环境综合整治T程中主线高架的某 三跨预应力混凝土连续箱梁 ， 利用 ANS Y S建立 全 桥三维有限元实体模型 ， 分析 了箱梁弧形腹板对截面抗剪的影响 、 在荷载作用下箱 梁剪力滞系数和偏 载系数 的分 布情 况 ， 计 算结果 为工程设计提供了技术支撑 。 关键词 ： 弧形腹板 ；箱梁 ； 空 间效应 ；剪力滞系数 ； 偏载系数 0 引 言 弧 形腹板 箱 梁结构 以其 优美 的结构 造 型和桥 下 视 觉 空 间 ， 越来 越 多 的运用 于城 市 道路 桥 梁 中。这 些 桥 梁 往往 伴 随着大 悬臂 、 大宽跨 比的特点 ， 结构 受 力与 变 形 空 间效应 突 出E 1 3 j 。因此 ， 研 究该类 桥 梁 的空 间受 力 特性 ， 对结 构设 计具有 很 大的指 导意 义 。 本文以萧山东入城 口环境综合整治工程中主线高 架的某三跨预应力连续箱梁为工程背景 ， 分析箱梁在不 同荷载下 的空间受力特性 ， 主要包括 各腹板 问 的剪力分 配规律 、 箱梁 剪力滞效应 和偏 载 系数 。该联 箱梁 的跨径 布置为 3 5 m+3 5 m+3 5 m， 为 等高度 箱梁 ， 梁 高 2 3 m 活载设计标 准 为 公路 I 级 ， 裸 梁宽 度 为 2 4 7 m， 双 向六 车道 ， 其 中 顶 底 板 厚 度 为 2 0 c r fl ， 直 腹 板 厚 度 为 4 0 8 0 c m， 弧形腹 板厚度为 2 O c m( 见 图 1 、 图 2 ) 。 中墩分孔 图 1 1 2箱 梁 立 面 布 置 图 ( 单位 ： c m) 图 2箱梁跨 中截面 ( 单位 ： c m) 计算采用 ANS YS有限元程序建立全桥三维实体 模 型 ， 单元 类型 为拥有 2 O节点 的 s o l i d 9 5 体 单元 ， 单 元 形状 采 用 六 面 体 或 五 面 体 ， 全 桥 共 建 立 3 7 6 6 0个 单 元 ， 1 5 2 3 6 9 个 节点 ， 计算 模型 如 图 3所示 。 收 稿 日期 ： 2 O 1 1 1 2 1 2 3 2 上踢么咯 N 。 1 2 0 1 2 图 3计算模型示意图 图 1 腹 板剪 力分布 规律 箱 梁 的弧形腹 板 由于 其 板厚 和 倾 角 都 较 小 ， 承担 的竖 向剪力 有 限 。本 文 利 用 维块 体 模 型 ， 对 弧 形 腹 板 在不 同荷 载作用 下 承担 的剪力 比值作 了量 化分 析 。 腹板的剪力值可以通过对各腹板范围内单元剪应 力进行 积分 得到 ， 在箱 梁 自重 、 铺 装和 防撞墙 荷 载 作用 下 ， 中跨梁段 弧 形腹 板 沿 纵 桥 向 的剪 力分 配 比值 如 图 4所 示 。 0 25 O 2 蓦 瓣 蓦o 墓 纱 、 - v O- 恒载合计 -箱梁 自蕈 中腹板变庳 - 口 桥面铺装 防撞墙 中腹板厚度不 变 图 4弧形斜腹板剪力分配 比例沿纵桥向的变化 从 图 4 不 难看 出 ， ( 1 ) 从 中墩顶往 中跨 跨 中 ， 随 着 中腹 板厚 度 的逐 渐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 减 少 ( 8 O c m 减 小到 4 0 c m) ， 弧形 腹板 承担 剪力 所 占比 例 基本 呈线 性增 加趋 势 ， 而 在 中腹 板 厚度 不变 区域 ， 该 比例变 化基 本不 大 。这种 变 化趋 势 与弧形 腹 板 面积 与 总腹板面积 比值 的变化规律较为相似( 见表 1 ) ， 由表 1 可知， 弧形腹板承担剪力 比例 ， 越往中跨跨 中越接近其 面 积 比值 。 表 1 弧 形 腹 板 恒 载 剪 力 比值 和 腹 板 面 积 比 值 沿 纵 桥 向 的 分 配 规 律 距 中墩 1 2 9 9 2 3 5 5 7 9 1 1 5 1 4 距 离 m 弧形腹板恒裁 0 0 2 0 0 3 0 0 6 0 0 9 0 1 3 0 1 7 0 1 9 0 2 0 剪力 比值 ( 1 ) 弧形腹板 面积与总腹板 0 1 7 0 1 8 o 1 9 0 2 1 0 2 4 0 2 8 0 2 8 0 2 8 面 积 比值 ( 2 ) ( 1) ( 2) 0 1 1 0 1 5 o 3 1 0 4 3 0 5 4 o 5 9 0 6 6 ( 2 ) 恒 载 作用 下 ， 在 靠 近 中墩 处 弧形 腹板 剪 力 分配 比值最小 ( 为 2 ) ； 在中腹板厚度不变点处 ( 距中墩顶 9 m) ， 该 比值 增加 到 l 6 9 。 ( 3 ) 箱梁 自重 、 铺 装 和 防撞 墙 这 些 荷 载 ， 其 弧 形 腹 板剪 力分 配规 律基 本相 同 。 上面分析了弧形腹板承担剪力 比例随纵桥 向的变 化规律 ， 虽然越靠近跨中， 弧形腹板的恒载剪力 比值越 大， 但考虑到截面的总剪力值在减小 ， 弧形腹板的实际 抗 剪 需求 尚难 确 定 。为 此 ， 图 5给 出 了恒 载 ( 包 括 自 重 、 铺装和防撞墙) 作用下各腹板名义剪应力沿纵桥 向 的变 化情 况 ， 其 中名义 剪应 力 一腹板 剪力 腹 板 面积 。 窒 I O - 中腹板1 喜 I 置 中 腹板2 弧 形 腹板 3 、 。 j 一 、 - -一 r - 一 V 中 腹 板 I厚一1r 、 对 腹 板 厚 度 m 3 0m 6m 9m 1 2 m l 5m l 7 图 5各腹板 名义剪应力随纵桥 向的变化 注 ： 中腹板 1为道 路 中心线 处的直腹 板 ， 中腹板 2为 靠近 弧 形腹 板 的 直 腹 板 。 ( 1 )弧形 腹板 的最大 名义 剪 应力 出现 在 中腹 板 厚 度 变化 点处 ( 距 中墩 9 m) ， 约 为 0 2 4 MP a ； 中腹 板 1 和 中腹板 2的名 义 剪 应 力在 其 厚 度 变 化 段 较 大 ， 基 本 在0 9 5 1 2 5 MP a之 间 。 ( 2 )中腹 板 1 、 中腹 板 2和弧 形腹 板三 者 的名义 剪 应 力值 关 系为 ： 中腹 板 1 中 腹板 2 弧 形 腹 板 ， 其 中 前 两者 相 差不 大 ， 都 远 大于 弧形腹 板 的名 义剪 应力值 。 从 名 义剪应 力 的分 布 情 况 可 以看 出 ， 箱 梁 的 纵 向 受 力对 弧形 腹板 的抗 剪需 求 不大 。 2主 梁剪 力滞 效应 分析 鉴于箱梁宽度( 含防撞墙) 达到了 2 5 I D _ ， 中跨跨径 为 3 5 m， 箱 梁 宽 跨 比大 。而 由于 截 面 弧 形 腹 板 的影 响 ， 无法 采用 规 范 4 计 算 主梁腹 板上 下翼 缘 有 效 宽度 。 为 此 ， 本文通 过 有 限 元模 型分 析 了箱 梁 关 键 断 面在 恒 载作用下的剪力滞效应。 在恒载( 包括箱梁 自重、 铺装和防护撞墙重) 下 ， 主 梁关 键 断面箱 梁 顶 底 板 的纵 向 应力 分 布 如 图 6 、 图 7 、 图 8所 示 。其 中“ 空 间有 限元计 算 应力 ” 为实 体 模 型计 算的节点纵桥向应力 d ， “ 平截面假定计算应力” 的计 一 单 位 ： 一 罩 位 ： r _ _ 歪 i 1 。 ： l lH 8 l = 至 ! 堕 n 辞 2 1 9 ： M P 图 6 恒载作 用下中跨跨中截面顶底板恒载纵 向应 力分布 ：_ 寸 _ 二 = 喜 22 一 I ： MP a u， l ! 图 7 恒载作用下边跨跨 中截面 顶底 板恒载纵 向应力分布 3 1 2 l 1 l 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 I 1 l 2 1 3 r一一 一 、 、 、 一 一 2 = ! 宣 苎 堕 J 图 8 恒载 作用下中墩墩顶截面顶板恒载纵 向应力分布 N o 1 2 0 1 2上冯么魄 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 从 表 3可 以看 出 ： ( 1 ) 关键 部 位 的截 面 偏 载 系 数 最 小 为 1 3 6 ， 大 于 经验 值 1 1 5 ， 表 明箱 粱 的扭转 效应 比较 明显 ； ( 2 ) 中墩顶 处 截 面 的偏 载 系 数 普遍 要 大 于跨 中处 截 面 ， 这是 由于横 隔 板 对 箱 梁 纵 向纤 维 的 自由 凹 凸变 形 有 约束作 用 ， 由此 产生 较 大 的约束 扭转 正应 力 。 4 结 语 ( 1 ) 在恒 载 作 用 下 ， 从 中墩 顶 往 中跨 跨 中 ， 弧 形腹 板 承担 剪力 逐渐 增加 。但 从各 腹 板 的名义 剪应 力 的 分 布情况可以看出， 弧形腹板承担的剪力绝对值不大， 箱 梁 的纵 向受力 对 弧形 腹板 的抗 剪需 求不 大 。 ( 2 ) 箱梁中墩顶梁段的剪力滞效应较为 明显， 最大 剪力 滞 系数达 到 了 1 4 7 ； 中跨 跨 中梁 段 的剪 力 滞效 应 要 比边跨 中梁 段 的严重 。 s一Gs ( 3 ) 弧形 腹 箱 梁 中墩 顶 梁 段 截 面 的偏 载 系数 普 遍 要 大于跨 中处截 面 ， 且 截 面 的偏 载 系 数普 遍 都 大于 工 程经 验值 1 1 5 ， 箱梁 的扭 转效 应 明显 。 参考 文 献 ： E l i苏俭 ， 刘钊 ， 阮静 连续 梁桥 的活 载正 应 力偏 载 系数研 究 J 世界桥 梁， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 3 4 3 7 2 张忠 良扁平流线型混凝土箱梁横 向计算与分 析 J 世界 桥 梁 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 3 3 5 3 徐科英预应 力混凝土弧形底多室箱梁结构 分析及设 计方 法研究 【 ) 同济大学桥梁系 ， 2 0 0 5 I- 4 J TG D 6 2 2 0 0 4 ，公路钢筋混凝 土及预应 力混凝 土桥 涵设 计 规范1, s 2 I- 5 J TG D 6 0 2 0 0 4 ，公路桥涵设计通用规范 s ( 上 接 第 3 1页 ) ( I ) 灵 桥在 静 载 试 验 各 工 况 下挠 度 和应 变 回零 情 况 良好 ， 说 明 桥跨 结 构 处 于 弹性 工 作 状 态 。静 载 试 验 中 ， 灵 桥最 大 竖 向挠 度 7 9 mm， 低 于 规 范 允 许 值 L 1 0 0 0 9 8 mm， 说 明结 构竖 向 刚度 良好 。 ( 2 ) 在设计荷载组合作用下 ， 灵桥拱肋截面均通过 强度 验算 ， 但 大 部分 吊杆 的 的角点 应力 超 过规 范要 求 ， 鉴 于实 桥交 通荷 载较 小 ， 且计 算模 型较 保 守 ， 分 析 认 为 该结 果对 结 构 的安 全 性 影 响 不 大 ； 灵 桥 拱 肋 压 弯稳 定 承 载力 均通 过规 范验 算 。 ( 3 ) 在现 有交 通条 件 下 ， 灵 桥 的结构 状 态暂 时 是 安 全 的 。但 灵 桥 的桥下 净空 不足 ， 横 梁频 繁遭 受 船撞 ， 并 致 拱 肋 向上 游侧严 重 偏斜 ； 拱脚 积 水 ， 导 致 钢板 严 重 锈 蚀 ； 正交异 性 板桥 面疲 劳开 裂严 重 ， 桥面板 结 构 的退 化 速度 正在 加速 。基 于 以上 分析 ， 灵 桥 已不 满 足 使 用 要 求 ， 应 尽快 维 修或 改造 。 参考 文献 ： I- 1 同济大学桥梁工程 系 宁 波市灵 桥结构 检测评 定与加 固对 策研究 R ， 2 0 0 8 2 同济大学桥梁工程 系 灵桥结构安全评估 R ， 2 0 1 0 3 C h e n ， W Z ， Wa n g ， C S ， a n d Xu L S a f e t y As s e s s me n t a n d M a i n t e n a n c e M a n a g e me n t o f Ol d S t e e l Br i d g e o v e r S u z h o u C r e e k 1, J S e c o n d I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n S t e e l S t r u c t u r e s( I S S S 0 2 ) ，S e o u l ，2 0 0 2 2 1 2 2 4 J T J 0 2 5 1 9 8 6公路桥梁钢结构及木结构 设计 规范f s N o I 2 0 1 2上冯么姥 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m