大悬臂混凝土箱梁横向应力浅析.pdf

1 0 2 低温建筑技术 2 0 1 5年第 9期 ( 总第 2 0 7期 ) D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 9 0 3 8 大悬臂混凝土箱梁横 向应力浅析 冯小青 ， 冯智楷 ， 孙金 ( 河南省交通规划勘察 设计院有限责任公司 。 郑州4 5 0 0 5 2) 【 摘要】 结合湖北省某高速公路上已建大悬臂混凝土连续箱梁项 目， 运用 F E A有限元程序建立该桥第五 联箱梁的空间实体模型 ， 对箱梁在不同荷载作用下的应力变化做了总体研究； 同时对该桥进行荷载试验 ， 验证了 模型理论分析的结果。为以后解决类似工程项 目分析与设计中的关键技术问题提供参考。 【 关键词】 大悬臂； 悬臀长度 ； 连续箱梁； 荷载试验 【 中图分类号】 T U 3 7 5 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 2 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 9 - 0 1 0 2 0 3 目前， 我国多个城市桥梁结构采用大悬臂宽幅连 续梁桥及各种鱼腹式、 斜腹式箱梁桥， 但城市基础建 设桥下可操作空间不足及桥下施工空 间有限的弊端 也时刻限制着该种桥梁的广泛应用。因此 ， 一种既节 省施工空间提高其空间利用率又兼顾美观要求 的桥 梁形式大悬臂混凝土连续箱梁应运而生。针对 该种新型梁桥， 主要关注的问题集中于以下几点 ： ( 1 ) 工程技术 ： 悬臂端混凝土三向受力， 应力分 布不均匀 。 ( 2 ) 经济指标： 预应力悬臂与普通混凝土悬臂 的材料成本 。 ( 3 ) 施工工艺： 大悬臂预应力施工技术是否满 足该种桥梁 。 ( 4 ) 工程意义： 该箱梁结构因悬臂长度一般大 于 6 m， 因此相比普通的混凝土箱梁其应力不稳定性比 较明显 ， 工程中比较难以把握。 1 工程概 况 本文以湖北省某高速公路上已建大悬臂混凝土 连续箱梁为研究背景。该桥梁是城市内环线唯一的 跨湖泊大桥， 全长约 2 6 0 0 m。该桥位于全长 4 4 4 7 m、 总宽 1 2 7 m的高架桥中， 为单向行驶 3车道。其中第 五联即为 5 4 3 m跨的预应力混凝土单箱双室结构 ， 该单箱双室结构路幅宽 3 0 m， 悬臂长度达到 l O m， 桥面 由双向6车道的机动车道和非机动车道共同组成。活 载等级为公路 一I 级。截面形式为普通的等宽等高 箱梁截面， 桥侧每隔一定距离设置一个厚 0 3 m的横 隔板， 见图 1 ， 纵向预应力钢筋和横向预应力筋平均分 布于梁体。本项 目桥梁悬臂相对比较大， 因此箱梁的 横向受力问题十分突出。 计算荷载包括恒载 ( 自重 、 预应力) 和活载作用。 梁体结构预应力钢绞线分为横、 纵向预应力钢绞线。 同时对该桥进行荷载试验， 验证模型理论分析结果。 2 大悬臂混凝土箱梁横向应力分析 以本项 目桥梁为设计依托， 探讨大悬臂箱梁结构 在 自重和汽车偏载作用下横向应力的变化规律 。 图1 横截面示意图 横向三维实体模型建立依据： 针对 5 X 4 3 m的单 箱双室结构 ， 以首跨墩顶为截面中心， 选取左右两个 相邻0 3 m厚的横隔板之间长度为模型实体 。整体 模型共有 3万多个有效节点， 5万多个实体单元。墩 顶处的底板中心设置一个固定支座 ， 墩顶底板两端分 别设置两个单向活动支座 ， 铰支座位于横隔板与对应 结构底板相交处。实体模型见图2 。 图2 横向实体模型 材料的基本参数取值 ： 混凝土标号： C 5 0 ； 弹性模 量 ： = 3 4 51 0 M P a ； 泊松比： = 0 2 。 偏载加载的基本参数 ： 取车辆后轴作用于墩顶支 座， 横向车道布载， 取 1 4 0 k N的集中力。活载加载示 意见图3 。 ( 1 ) 自重作用下横向应力分析。根据箱梁的上 下缘应 力分 布 曲线看 出 ： 悬 臂下缘 应力 分布 较均 匀 ， 悬臂上缘应力在悬臂根部有明显峰值。应力集中现 象主要出现在悬臂根部。 冯小青等 ： 大悬臂混凝 土箱梁横 向应力浅析 1 0 3 l 4 o l 柏l 4 o l 柏1 柏 1 4 o 鲤 ! ! ! 鲤 ， 0 3 o o - 0 1 - -0 2 圈3 偏载加载示意图 ( 单位 ：k lq ) 重 重 O 2 5 O 2 0 O 1 5 o 1 O 0 O 5 0 o o - 0O 5 图 6针对应 力分 布规律 对 比了墩 顶实心段应力和 横隔板位置， 从图上可以看出截面不同位置的横向应 力分布趋势相近， 截面横向的应力集中点均为悬臂根 部， 具体的工程项目中采取相应的构造措施来避免悬 臂根部横向应力过大而引起的纵向裂缝。在施工 中 也要保证该部位的施工质量 ， 最大程度的保护悬臂根 部承载能力 。 ( 2 ) 偏载作用下横向应力分析。选取边跨节段 研究 1 0 m悬臂的箱梁在偏载作用下悬臂端的应力变 化规律 。 o 2 4 6 8 l O 距悬臂端的距离， 图5 墩顶卞缘应力沿横向分布曲线 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 距悬臂端的距离， m 图7 悬臂上缘段应力沿横向分布 曲线 1 2 1 0 翻 o 6 o4 O2 距悬臂靖的距离， m 图8 悬臂下缘应力沿横向分布曲线 大悬臂混凝土箱梁桥在偏载作用下 ， 箱梁横 向应 力沿横向的分布规律为： 上缘 出现压应力且悬臂端部 至桥面中心线逐渐增加， 分布不均匀， 甚至发生突变， 在根部附近出现最值达到 1 3 MP a ， 远远大于悬臂的其 他部位； 下缘拉应力分布比较均匀且错落有致， 在下 缘中部出现最值达到 1 1 6 M P a 远远大于悬臂端部压 重 距悬臂端的距离， m 图6 墩顶与横隔板上缘横向应力对比图 段 应力； 根据工程实际此时应力集中现象也会 比较 明 显， 特别是钢筋锚固点及支座附近， 设计中应采取相 应的构造措 施 来避 免 混凝 土 的破 坏。同 时设 计 中应 对悬臂上缘根部， 及悬臂下缘中部这些横向受力薄弱 部位加配钢筋及构造措施， 避免横向应力过大引起的 悬臂板纵向裂缝。 。 3 荷载试验应力分析 为了更加有效的模拟原桥在偏载作用下的作用 效应， 我们在大悬臂实体模型截面处施加标准车辆作 为偏载作用力， 在由标准车辆形成 的偏载作用力下的 有限元计算应力云图分布如图9所示。 同时， 为了更好地验证模型分析的结果 ， 我们对 该工程桥梁进行荷载试验。 ( 1 ) 测试原理。采用精确的仪器即T D S静态应 变仪来测读粘贴在梁体表面的电阻应变片用以反应 结构的应变变化。这种测试手段把测量单 向应力值 转换为应变测量， 在试验中比较容易实现。箱梁桥各 应 力测 点 ， 主 要采 用短 标距 胶基 电阻应变 片 ， 采 用应 变仪测读 ， 再根据应力与应变的关系得到相应应力值。 ( 2 ) 测试断面。大悬臂连续箱梁桥虽然横向受 力不稳定但其顺桥 向受力是相对 比较均匀有效的， 根 据此特点我们选取了四个断面进行单箱多室截面的 荷载试验 ， 测试断面如图 l O所示， 距墩顶的支座 中心 线约 l m左右为 AA测试断面 ， 边跨跨 中为 BB测 试， 断面距墩顶支座中心线约 2 m左右为 Cc测试断 面， 图中的纵向参考尺寸是沿道路中心线展开的 。 1 o 4 低温建筑技术 2 0 1 5年第 9 期( 总第2 0 7 期) 图9 偏载作用应力云图 图1 O 测试断面 我们对现场静载模拟试验数据与软件计算结果 进行比对， 通过观测应变及校验系数的数值反应的应 力分布规律来评定结构的有效工作状态 ， 结构是否满 足设计强度是大悬臂横向受力状况的指标依据。 以下出示结果以第一跨跨 中 BB截面为原型， 测点布置 ： 1号测点位于悬臂近根部， 2号测点位于悬 臂中根部 ， 3号测点位于悬臂远根部， 4号测点位于悬 臂中部 ， 5 测点位于悬臂端部 ， 6号测点位于悬臂近根 部下缘 ， 7 号测点位于悬臂中根部下缘 ， 8号测点位于 悬臂远根部下缘 ， 9号测点位于悬臂中部下缘 ， 1 0测点 位于悬臂端部。应变分析结果见表 1 。 模型计算结果显示： 该已建大桥在结构偏载作用 下悬臂根部在边跨出现了压应力峰值， 悬臂端部的最 大压应力值仅是悬臂根部压应力值的十分之一 ， 且压 应力绝对值远远小于悬臂根部； 各跨悬臂截面下缘为 拉应力， 悬臂端部的最大拉应力值仅是悬臂根部拉应 力值的一半还不到， 最大压应力出现在大悬臂根部下 缘中部， 同时拉应力绝对值也远远小于悬臂根部。 表 i BB截面应变分析 荷载试验结果显示： 该大桥在偏载作用下边跨悬 臂根部出现压应力峰值 ， 悬臂端部也出现压应力但其 值较小； 各跨悬臂截面下缘为拉应力， 最大拉应力出 现在大悬臂根部下缘 中部， 其绝对值远远小于悬臂端 部 。箱梁 实体模 型与荷载试验应力对 比见表 2 。 表 2 模型分析与荷载试验最大应力值对比结果 M P a 该大桥的实体模型分析结果与荷载试验反应结 果保持一致 ， 应力分布规律统一。该大悬臂结构( 悬 臂 1 0 m) 能有效的完成预定功能 。 4 结语 ( 1 ) 结合 我 国颁布 的桥 梁结 构设计 规范 ， 横 向 整体变形对箱梁 的横向应力分布的影响不予考虑。 本文的模型分析值相对于规范来说计算值偏大。笔 者认为大悬臂结构在进行横向应力分析时必须考虑 了结构的横向剪切变形。 ( 2 ) 大悬臂混凝土箱梁在荷 载作用下 的应力反 应 比较 明显。 ( 3 ) 此类 大悬臂 横 向结构体 系 ， 悬 臂过 长对 结 构的应力和挠度均非常不利， 不利于结构整体功能的 实现。在设计方面对于应力较为集中的悬臂根部要 加 强构造 措施 ， 尽量减 小 结构 出现 大裂缝 的可 能性 ， 增加此类桥梁 的应用广度。 ( 4 ) 通过偏载作用下应力结果 比对， 混凝土梁 桥横向大悬臂结构( 悬臂长度 1 0 m) 的理论计算是可 行且安全可靠的。 参考文献 1 鞠三 城市高架桥的几种结构形式与构造特点 J 铁道勘测 与设计 ， 2 0 0 4 ， ( 3 ) ： 9 9 2 马海英预应 力混凝 土斜拉 桥主梁 横向应 力分布研 究 D 上海 ： 同济大学 ， 2 0 0 7 3 何海滨横向大悬臂连续箱梁结构分析与模型试验 D 长 安 ： 长安大学 ， 2 0 0 7 4 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 5 张志田钢筋混 凝土 箱梁 横 向受 力性 能 的理论及 试验研 究 D 湖南 ： 湖南大学 ， 2 0 0 1 6 C h u K H，P i n j a r k a r 5 G Mu l t i P l e f o l d e d P l a t e s t r u e t U x e s J S t r u e t D i v ， A S C E， 1 9 6 6， 9 2 ( 2 ) ： 2 9 73 2 1 收稿日期】 2 0 1 5 一 o 4 - 2 7 作者简介 冯小青( 1 9 8 6一) ， 女 ， 河南新郑 人， 助理工 程师 ， 硕士研究生 ， 研究方 向： 桥梁结构设计理论 。