短悬臂预应力箱梁施工剪滞特性数值研究

蔡海良

(湖南天智交通建设技术有限公司, 湖南 长沙　410011)



短悬臂预应力箱梁施工剪滞特性数值研究

蔡海良

(湖南天智交通建设技术有限公司, 湖南 长沙410011)

箱型梁剪力滞效应的存在可影响到结构设计的安全性，而目前桥梁结构设计规范中对剪力滞效应尚未作出规定。为研究预应力箱梁在施工时的短悬臂剪滞效应，以广州某预应力PC箱梁桥为数值计算模型，基于有限元软件ANSYS及MIDAS对预应力PC箱梁短悬臂剪力滞效应进行仿真计算与分析，研究表明短悬臂预应力箱梁剪力滞效应随悬臂梁越短而越明显。

剪力滞效应; 预应力箱梁; 后张拉法; 短悬臂梁

1　概述

在桥梁设计领域，随着结构形式及施工工艺复杂化，采用常规的力学分析日益难以满足工程实际对计算精度的需求。有限元法作为有效的数值模拟方法，在土木工程领域逐渐受到重视并得到了长足的发展。一些超大跨的预应力连续梁或连续刚构桥中，其桥面宽度一般超过15 m，若采用传统的以梁单元为基础的杆系结构分析软件，当桥梁施工处于短悬臂状态下，桥梁结构的梁单元特性不明显，分析精度大幅降低，甚至失真。为研究箱梁剪力滞效应，当前大量学者对此展开了深入研究。陈亮[1]采用SCDS与ANSYS建立预应力混凝土连续箱梁模型并进行单项及组合工况下箱梁纵向与横向剪力滞效应分析。王浩[2]从分析箱梁剪力滞效应的影响因素如横隔板厚度与间距、索塔距离、索力大小及方位等对单索面箱梁斜拉桥的剪力滞效应。蔺鹏臻[3]等人基于能量变分法分析3种预应力筋布束方式下简支箱梁的剪力滞效应。祝明桥[4]等人基于大比例双层均布荷载单箱混凝土桥梁抗弯性试验进行剪力滞效应研究，从而得出不同荷载工况下顶板底部、顶部及根部剪力滞效应的分布规律。周旺保[5]、甘亚南[6]及向中富[7]等人从计算解析式入手，推导箱梁剪力滞效应系数求解式。

为进一步探究采用悬臂施工方法进行桥梁建设过程中尤其是短悬臂结构的响应路径，基于已有预应力箱梁剪力滞效应理论研究成果[8-12]，以某短悬臂后张拉预应力PC箱梁桥为例，在综合计算速度、精度和建模分析的可行性及难易程度等因素的基础上，实体有限元模型采用ANSYS进行分析，梁单元分析模型采用MIDAS-CIVIL进行剪力滞效应研究，并通过对比分析各个施工阶段的应力分布以及随着后续施工阶段的展开结构应力的变化历程。

2　工程简介

万亩鲜切花基地至国道G105连接线新建工程位于广州从化市城郊街及温泉镇境内，东西走向，起点设于从化市万亩鲜切花基地主干道终点，向东经麻村小学跨越流溪河，经云星村与国道G105相接，路线全长1.875 km。某预应力桥梁上部结构采用分离式单箱单室变截面连续箱梁，分为左、右半幅。半幅箱梁底板宽为8.5 m，顶板宽为17 m，外侧悬臂4.25 m，主梁梁高为3.6～1.8 m，采用挂篮悬浇浇筑法施工，主要材料采用C50混凝土。

3　纵向正应力模拟结果对比分析

在ANSYS模型的应力云图中SZ表示纵向正应力，S1为最大主应力，应力表述均遵循拉为正，压为负。分别将箱梁的顶板、底板、腹板的正应力、主拉应力作对比，分析截面应力分布状况。基于梁单元理论MIDAS纵向正应力云图如图1～图4所示。

图1　Time1 Midas纵向正应力图Figure 1　Time1 Midas stress cloud for SZ

图2　Time2 Midas纵向正应力图Figure 2　Time2 Midas stress cloud for SZ

图3　Time3 Midas纵向正应力图Figure 3　Time3 Midas stress cloud for SZ

图4　Time4 Midas纵向正应力图Figure 4　Time4 Midas stress cloud for SZ

考虑到后张法的预应力施工，本章实体单元模拟部分采用两种节点耦合的方式进行模拟： ①节点全部耦合分析，即耦合预应力钢筋单元与混凝土单元的全部自由度(后文简称“全耦合”)； ②采用部分全耦合，局部选择性耦合的方式(后文简称“半耦合”)。基于实体单元两种不同节点耦合方式的ANSYS纵向正应力云图如图5所示。

(a)全耦合

(b)半耦合

将相同施工阶段的纵向正应力云图沿横桥向路径作比较，对比全耦合应力云图与半耦合应力云图不难发现：半耦合模型在预应力筋锚固点处应力集中现象很突出，因为半耦合模型中预应力在靠近中间的部分是可以滑移，只有端部的一段是有纵向约束的，故预应力作用较为集中。而全耦合应力云图则应力变化均匀，预应力作用分布匀散。而采用梁单元时应力分布均匀，不符合预应力结构的实际受力状态。从基于实体单元与梁单元应力分布云图可以看出，桥梁结构在短悬臂时候状态时，采用梁单元分析的结果不能够精确表现出结构的真实应力响应，进一步也凸显了实体单元分析短悬臂应力分布的必要性。

将相同施工阶段的纵向正应力云图沿横桥向路径作比较，对比全耦合应力云图与半耦合应力云图可知：半耦合模型在预应力筋锚固点处应力集中现象很突出，因为半耦合模型中预应力在靠近中间的部分是可以滑移，只有端部的一段是有纵向约束的，故预应力作用较为集中。而全耦合应力云图则应力变化均匀，预应力作用分布匀散。而采用梁单元时应力分布均匀，不符合预应力结构的实际受力状态。从基于实体单元与梁单元应力分布云图可以看出，桥梁结构在短悬臂时候状态时，采用梁单元分析的结果不能够精确表现出结构的真实应力响应，进一步也凸显了实体单元分析短悬臂应力分布的必要性。

4　纵向正应力比较

为便于详细比较分析，分别在2#块中部取一截面即H1(Z=5.5)、H2(Z=9)、H3(Z=13)如图6所示，并在各截面的顶板上缘、底板下缘取一排，腹板中部取一列应力点。为简化分析过程，仅取H1截面顶板纵向正应力进行分析，其数值如图7所示。

图6　应力分析断面布置图Figure 6　The section layout of stress analysis point

图7　Z=5.5顶板各时间下纵向正应力Figure 7　SZ of the roof section Z=5.5 m for times

正应力在横向并非均匀分布，在上面图7中可看出： 在梁肋位置(腹板)处压应力最大。Z=5.5的顶板处剪力滞系数在time4-time8分别是2.5、3.11、1.92、2.45、1.82，Z=9的顶板处剪力滞系数在time6-time8分别是2.01、3.10、1.89，对比这些数据随工况的变化会发现剪力滞系数随着预应力筋的张拉而减小，选择预应力张拉的工况可看出：随着悬臂段的增长剪力滞系数有减小的趋势。短悬臂时箱梁的局部应力会较大，在结构处于悬臂状态(合龙之前)应当注意密切关注此阶段受力状况，以免在施工阶段就产生裂缝。全耦合和半耦合两种方法结果接近，而采用梁单元模拟数据相等与剪力滞效应相悖，存在明显的不足。

5　结论

① 采用半耦合方式建立实体单元的有限元模拟更能够准确模拟结构的应力分布，采用梁单元理论分析桥梁在预应力荷载作用下的局部应力引起的误差，应该引起足够的重视。

② ANSYS预应力筋节点与混凝土节点用两种耦合方法得到的结果差异不大，但均较MIDAS有明显区别。

③ 悬臂越短预加力作用产生的应力集中现象越发明显，其剪力滞效应也更明显，在箱梁短悬臂时建议用三维实体软件来分析应力分布状况。

[1]陈亮. 展翅大悬臂斜腹板预应力混凝土连续箱梁剪力滞效应分析[D].长沙:中南大学, 2013.

[2]王浩. 单索面斜拉桥混凝土宽箱梁剪力滞效应研究[D].西安:长安大学, 2012.

[3]蔺鹏臻, 刘应龙, 孙理想，等. 预应力作用下简支箱梁桥的剪力滞效应分析[J]. 铁道工程学报, 2014, 31(11):54-58.

[4]祝明桥, 魏伏佳, 赵振中,等.双层均布荷载作用下混凝土伸臂箱梁剪力滞效应试验研究[J]. 公路交通科技, 2014(8):77-82.

[5]周旺保, 蒋丽忠, 余志武. 一种连续箱梁的高精度解析计算方法[J]. 中南大学学报:自然科学版, 2014(8): 2799-2804.

[6]甘亚南, 石飞停.梯形箱梁剪力滞后效应精细化分析[J]. 计算力学学报, 2014,31 (3):351-356.

[7]向中富, 蒋俊秋, 黄海东. 连续箱梁剪力滞系数的固定端法求解[J]. 重庆交通大学学报：自然科学版, 2014(5):1-6.

[8]刘扬, 王东东. 纵向预应力对箱梁剪力滞效应的差分解[J]. 交通科学与工程, 2013, 29(2):22-27.

[9]雷康. 单箱双室预应力混凝土连续刚构桥剪力滞效应分析研究[D].西安:长安大学, 2011.

[10]王东东. 预应力作用下混凝土箱梁桥空间应力分析[D].长沙:长沙理工大学, 2013.

[11]林新元. 预应力混凝土变截面连续箱梁裂后受力性能研究[D].西安:长安大学, 2010.

[12]武志军. 预应力混凝土斜拉桥考虑剪力滞效应的主梁应力监控[J]. 铁道标准设计, 2012(9):73-76.

Numerical Study of Shear Lag Characteristic in a Short Cantilevered Prestressed Box Girder

CAI Hailiang

(Hunan Tianzhi Communications Construction Technology Co. Ltd,Changsha, Hunan 410011, China)

The existence of the box beam shear lag effect could affect the safety of the structure design, the bridge structure design specification of shear lag effect has not been made, based on this to a PC girder bridge as an example, finite element software ANSYS and MIDAS were used to calculated and analysis PC girder short cantilever shear lag effect, studies have shown that short cantilever prestressed box girder shear lag effect, the more obvious with the shorter the cantilever beam.

shear lag effect; prestressed box girder; short cantilevered

2016 — 05 — 11

广西科学研究与技术开发计划项目(1298011-2)；中南大学博士生自主创新项目(2015zzts084)

蔡海良(1978 — )，男，湖南长沙人，高级工程师，主要从事道路与桥梁咨询管理工作。

U 448.21+3

A

1674 — 0610(2016)04 — 0087 — 04