变截面连续箱梁铁路桥的剪力滞效应分析

江阿兰，王述涛

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

变截面连续箱梁铁路桥的剪力滞效应分析

江阿兰，王述涛

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

利用有限元分析软件ANSYS对列车和桥梁组成的系统进行模拟，建立变截面连续箱桥模型，研究了列车荷载作用下该梁桥的剪力滞效应.结果表明：在列车静荷载作用下，桥梁截面顶板和底板，均在与腹板交接处出现了截面最大应力，是正剪力滞效应，但在中跨根部底板出现了负剪力滞效应.在列车动荷载作用下,同一位置剪力滞系数的变化幅度较小；而且无论是顶板还是底板，总有剪力滞系数变化相反的位置出现，即一个区域的剪力滞系数升高，必会引起某一区域的剪力滞系数减小.

ANSYS；变截面连续箱梁桥；剪力滞效应；列车静载；列车动载

0 引言

箱形截面梁[1]具有良好的结构性能,如:结构轻、自重小;截面抗弯抗扭刚度大,顶板和底板能有效地抵抗正负弯矩,适应连续梁和刚构等桥梁结构,能采用悬臂拼装、悬臂浇筑、顶推等施工方法,满足现代桥梁大跨度的要求.因此,箱形截面梁在国内外桥梁结构设计中得到广泛地应用和推广.但箱梁在承受对称弯曲荷载时,翼板将产生剪切变形,导致翼板上的正应力沿宽度方向呈不均匀分布,其间存在剪力滞效应.薄壁箱梁桥的剪力滞后效应是引起混凝土箱梁开裂的原因之一，忽略剪力滞效应的影响，就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力[2- 5].许多学者对箱梁桥的剪滞效应进行了大量研究，程海根[6]等对薄壁箱梁的剪力滞效应进行了理论分析和试验研究，得到了集中荷载作用下的剪力滞系数要大于均布荷载作用下的值；韦成龙[7]等对变截面连续箱梁桥剪力滞进行了研究，并对剪切变形双重效应分析的传递矩阵法进行了分析.莫金利[8]等对车辆荷载下预应力混凝土曲线箱梁桥的剪力滞效应进行了研究，得出了车辆动荷载作用下不同参数对剪力滞的影响.已有的研究成果多数是静荷载作用下对等截面箱梁桥的剪力滞效应的研究，包括集中荷载和均布荷载.对于变截面连续箱梁桥桥的剪力滞效应的研究还不多，尤其是列车荷载作用下的剪力滞效应的研究更少.

剪力滞的研究方法主要有：弹性理论解法、比拟杆法、变分法、数值法、模型试验法[9].随着计算机技术的飞速发展，数值分析法在剪力滞分析中占有越来越重要的地位.本文将采用数值分析方法，利用有限元分析软件ansys对列车荷载下的变截面连续桥梁剪力滞效应进行分析.

1 模型建立

以某快速铁路桥为研究对象，计算跨度为80.6+128+80.6 m，梁体截面采用单箱单室，变高度，变截面直腹板形式.梁体采用C50混凝土，封端采用C50无收缩混凝土，主梁纵向预应力钢筋采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的高强低松弛钢绞线，公称直径15.2 mm，有限元模型采用solid65单元模拟混凝土，link8单元模拟预应力钢筋，预应力采用降温法施加，其1/2有限元模型如图1所示.列车假设为YZ25K空调硬座客车，按照客车标准编组15节车厢(408 m)，轴重8.65 t，设计速度160 km/h.

图1 1/2有限元模型

2 数值结果及分析

2.1 静载作用下剪力滞效应

根据桥梁的实际情况，当列车全部行驶到桥面上时对桥梁影响最大，选择此刻为最不利的情况加载，即沿桥长布置双轨道列车荷载，并将荷载简化为均布荷载沿桥梁纵向加载.荷载加载图如图2和图3所示.

图2 1/2纵向加载图

图3 横向加载图

加载完毕后，进入后处理，分别取边跨1/2截面(截面A)、边跨1/4截面(截面B)、边跨根部(截面C)、中跨根部(截面D)、中跨1/4截面(截面E)、中跨1/2截面(截面F)为研究对象，如图4所示.为了方便地描述箱形梁剪力滞效应的影响程度，工程上引入剪力滞系数的概念，它是衡量剪力滞效应大小的主要指标.即:

图4 桥梁平面布置

将截面弯曲应力换算成剪力滞系数，进行整理分析.分析结果如图5～图6.

(a)顶板

(b)底板

(a)顶板

(b)底板

由于模型是直线箱梁，而且作用的是对称荷载，所以数据呈现明显的对称性，并且我们可以从图中归纳得到以下结论：

(1)无论是顶板还是底板，腹板处的应力要大于翼缘处的应力和中心线处的应力，均为正剪力滞效应.但在中跨根部截面(D截面)底板处发生了负剪力滞效应，这是因为在墩部两侧腹板处的预应力钢筋产生的附加弯矩和外力产生的弯矩异号，导致底板腹板处的应力值小于中线处的应力值，出现了负弯矩;

(2)模型中存在大量的预应力钢筋，从图5和图6中可以看出，剪力滞系数沿横向位置的变化中，出现了一些剪力滞系数变小的点，与模型比较后，在这些点的位置均有预应力钢筋的存在，说明预应力筋可以减小截面的剪力滞效应.因此，工程可以在截面应力较大的位置或者容易出现应力集中的位置合理的布置预应力钢筋.

2.2 动荷载下的剪力滞效应

动荷载的时程区间选择为车头驶上桥梁(t=1 s)至车尾离开桥梁(t=17 s)，荷载速度选择列车的设计速度160 km/h，取与静荷载分析一致的截面为研究对象，对各截面1#点至5#点的剪力滞系数随时间的变化进行了分析，如图7所示，各截面的的分析结果，如图8所示.

图7 桥梁横断面图

(a)中跨1/2截面 (b)中跨1/4截面

(c)中跨根部 (d)边跨根部

(e)边跨1/4截面 (f)边跨1/2截面

图8 各截面的剪力滞系数变化

经过对各截面的分析 ，可以得到：

(1)从图8中可以看出，在列车动荷载作用下，同一位置剪力滞系数的变化幅度不大，这说明对于大跨度桥梁来说，结构自重对桥梁的影响主要的，外荷载对桥梁产生的应力是次要的，即桥梁的剪力滞效应主要由结构本身来决定.在进行桥梁设计时，选择合理的桥梁结构和合理的预应力筋布置是解决桥梁剪力滞效应的关键;

(2)在动荷载作用下，无论是顶板还是底板，当某一区域的剪力滞系数增大时，必有剪力滞系数减小的位置出现，反之亦然.这是因为：当某个位置的剪力滞系数增大时，就意味着该位置的弯曲应力值相对于初等梁理论算出的应力值来说是增大的，剪力滞后现象就变得明显，导致向其他位置传递的应力值相对于初等梁理论的应力值变小，剪力滞系数也就跟着变小，反之亦然.

3 结论

本文主要采用有限元软件ANSYS对变截面连续箱梁桥在列车荷载下的剪力滞效应进行研究，分别分析了在列车静载和列车动载作用下的剪力滞效应.结果表明：在列车静荷载作用下，桥梁各截面的剪力滞分布规律近似，截面应力从腹板出向两侧逐渐减小，均为正剪力滞效应，但在中跨根部底板出现了负剪力滞效应；由于预应力筋的作用，剪力滞系数沿横向位置的变化中，出现了一些剪力滞系数变小的点，与模型比较后，这些点的位置均有预应力钢筋的存在，说明适当的预应力钢筋可以减小截面的剪力滞效应.工程可以在截面应力较大的位置或者容易出现应力集中的位置合理的布置预应力钢筋.在列车动荷载作用下，同一位置剪力滞系数的变化幅度不大，这说明对于大跨度桥梁来说，结构自重对桥梁的影响主要的，外荷载对桥梁产生的应力是次要的，即桥梁的剪力滞效应主要由结构本身来决定；各截面无论顶板还是底板，总有剪力滞系数变化相反的位置出现，即一个区域的剪力滞系数升高，必会引起某一区域的剪力滞系数减小.所以，在进行桥梁设计时，我们应该通过选择合理的桥梁结构和合理的预应力筋布置来减小桥梁剪力滞效应.

[1]张元海,白昕,林丽霞.箱形梁剪力滞效应的改进分析方法研究[J].土木工程学报，2012(11):153- 158.

[2]蔺鹏臻,周世军.基于剪切变形规律的箱梁剪力滞效应研究[J].铁道学报，2011(4):100- 104.

[3]曾清林,罗旗帜,符锌砂.薄壁直线箱梁的动力响应研究[J].四川建筑科学研究，2012(1):40- 43.

[4]赵洪蛟.大跨径钢拱桥几何非线性分析及其扁平钢箱梁剪力滞效应研究[D].兰州：兰州大学,2011.

[5]陈长华,张元海.剪力滞翘曲位移函数对箱形梁挠度的影响[J].兰州交通大学学报,2010(4):91- 94.

[6]程海根.薄壁箱梁剪力滞效应理论分析与试验研究[D].成都:西南交通大学,2003.

[7]韦成龙,李斌,曾庆元.变截面连续箱梁桥剪力滞及剪切变形双重效应分析的传递矩阵法[J].工程力学，2008(9):111- 117.

[8]莫金利.车辆动荷载作用下预应力混凝土曲线箱梁桥剪力滞效应分析[D].石家庄：石家庄铁道大学，2013.

[9]蔺鹏臻.混凝土箱梁剪力滞效应的分析理论与应用研究[D].兰州：兰州交通大学,2011.

Analysis of Shear Lag Effect to Variable Cross-Section Continuous Box Girder Railway Bridge

JIANG Alan,WANG Shutao

(School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

By using finite element analysis software ANSYS to simulate the system of train and the bridge,the variable cross-section continuous box bridge model is constructed,and the shear lag effect of variable cross-section continuous box girder bridge is studied under the train loads.Results indicate that under the static train loads,the maximum stress of cross section usually appears at the junction of the web and the flange on both roof and floor of the bridge.Howerer,the negative shear lag effect occurs at the floor of midspan root.Under dynamic train loads,the change of the shear lag coefficient at the same location is small.On both of roof and floor,there are always the positions whose shear lag coefficients change on the contrary,that is to say,the increases of the shear lag coefficient on an area will cause a certain decrease of shear lag coefficient on another area.

ANSYS;variable cross-section continuous box girder bridge;shear lag effects;the static train loads;the dynamic train load

1673- 9590(2017)04- 0151- 04

2016- 03- 13

国家自然科学基金资助项目(51508066)

江阿兰(1975-)，女，教授，博士，主要从事桥梁结构分析、损伤诊断方面的研究E-mail:1129820676@qq.com.

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