某桥梁段剪力滞效应研究与分析

摘要： 本文以赤山大桥工程为背景，研究在施工阶段重力及预应力作用下混凝土结构的剪力滞效应，通过有限元模拟悬臂施工全过程的方法，随着后浇注节段数量增加剪力滞系数呈现递减规律。表明箱梁节段剪力滞效应一般都是在其刚浇注时最大，未施加横向预应力以及预应力钢束起弯角度越小，则说明宽高比，宽跨比越大，剪力滞效应也很明显。并且通过对该桥施工监控，把计算值与实测值进行了对比，而腹板厚度和M锚固位置的变化则对该效应影响不甚明显，对有限元结果进行了验证，验证了计算分析的合理性。对实践工作具有一定的指导意义，希望能更多地运用于实践当中。

Abstract： In this paper， making Chishan bridge project as the background， through finite element simulation of the whole process of cantilever construction method， research in the construction stage of gravity and prestressed concrete structure subjected to shear lag effect， showed segmental box girder shear lag effect is generally maximum in the just pouring， after pouring section increases the amount of shear lag coefficient shows law of diminishing. Aspect ratio， width to span ratio is larger， without lateral prestress of prestressed steel beam and the bending angle is small， the shear lag effect is obvious. And web thickness and M anchoring position changes the effect is not so obvious. And through to the bridge construction monitoring， comparing the calculated values and the measured values， and the result of calculation is compared correct.

关键词： 箱形梁；有限元；剪力滞效应

Key words： box grider；finite element；shear lag effect

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）03-0090-04

1 工程概况

本桥位于樟木头互通立交区域内，赤山村大桥是惠东至常平高速公路东莞段的一座控制性大桥，桥址范围内属低山丘岭地貌，地形起伏较小，跨越省道S357，与被交道路斜交，除两端桥台位置地形较高以外，中间部位平坦开阔，宽约220m，分布成片厂区。本桥段最适合做剪力滞效应的研究与分析，能对实践具有一定的指导意义。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的简化 建模时只考虑各施工阶段的截面形状，而忽略普通钢筋，预埋件等对截面的影响，计入预应力孔道对截面的影响；

考虑到悬臂施工阶段整个结构体系为静定结构，假设墩底支撑在刚性平面上，忽略桩土相互影响。

2.2 单元的选取及建模方法 因为赤山村大桥主桥采用的是箱形梁的结构形式，而箱梁受弯扭组合，剪力滞后以及畸变等因素影响，受力情况复杂，为能较准确的反映箱梁的实际应力分布情况，采用ANSYS软件进行分析，混凝土选用SOLID 95单元进行有限元计算。预应力钢束采用三维结构线单元LINK8，模拟预应力采用初应变法。计算模型即把整个研究对象均离散为有限单元网格，其应力计算足可满足工程要求。0#块模型及网格划分图如图1、图2所示。

2.3 边界条件及计算参数 在进行有限元分析时，采用全结构分析方法，按照结构的实际尺寸建摸，并做了适当的简化。

在确定有限元模型的边界条件时，将墩底及墩梁接触截面上所有结点以全部固结——即约束截面上所有结点的全部自由度，悬臂施工端面完全自由。

梁体混凝土标号为C50号，弹性模量为35.5GPa，泊松比为0.167，混凝土比重γ=26000KN/m3；纵向预应力筋采用标准型强度级别fpk=1860MPa，公称直径为19.24mm高强度低松弛钢绞线，弹性模量为195GPa，泊松比取为0.2，张拉锚固下控制应力σcon=0.75fpk。

3 计算分析

3.1 宽跨比对剪力滞效应的影响 模型设三个控制截面，其中模型的宽跨比分别为8.2、3、1.14。将三个模型在自重和预应力作用下控制截面的应力描绘成曲线如图。C—C截面距固端18.75m、B—B截面距固端7m、A—A截面距固端2.6m。

应力变化梯度逐渐趋于平缓，剪力滞影响明显变小，通过以上图形表明，模型随跨径的增大，说明剪力滞随宽跨比的增大而增大。通过上图，也不难得出下列的结论。

3.2 不同翼缘板宽度对建立滞效应的影响 模型一翼板宽6m，模型二翼板宽5.5m，模型三翼板宽4.5m，模型四翼板宽4m。

把各控制截面在翼板宽度改变时的应力绘制成曲线，以下是A-A截面顶板应力对比图。取A—A截面为研究控制截面，距离固端分别为1.6m。（图5-图10）

通过图形比较表明：随着翼缘悬臂板宽度的增加，悬臂板的弯曲应力曲线下降更为显著，说明对带悬臂翼缘板箱梁的剪力滞效应分析应考虑大悬臂的影响。

箱梁翼缘悬臂板宽度越大，剪力滞效应越显著，弯曲正应力峰值的差值也越来越大。当翼缘板加大时，翼板相对于肋板处的刚度减小，剪切变形能力加大，剪力滞效应也变得明显。因此，在实际工程中，对翼缘板较宽的桥梁在设计时，可考虑适当增加肋板间距，以减小剪力滞对翼缘板的影响。

3.3 不同腹板厚度对剪力滞效应的影响 通过对四个模型的比较来分析腹板对剪力滞的影响。模型一腹板厚60cm，模型二腹板厚70cm，模型三腹板厚80cm，模型四腹板厚100cm。取A—A截面为研究控制截面，距离固端为2.6m。

把该控制截面在腹板厚度改变时的应力绘制成曲线，如图11。

通过以上图形比较表明：随着腹板厚度的增加，剪力滞效应也呈现逐渐减小的趋势，但其影响效果并不明显，因此通过增加腹板厚度可能得不到减轻剪力滞效应的理想结果。

3.4 横向预应力筋对剪力滞效应的影响 把该控制截面在施加和未施加横向预应力时应力绘制成曲线，模型一未施加横向预应力，模型二为施加横向预应力。取A—A截面为研究控制截面，距离固端为2.6m。（图12）

由图可知：应力变化梯度相对较小，剪力滞效应明显减小，在顶板施加横向预应力后控制截面顶板的应力曲线相对于未施加横向预应力的要趋于平缓。在顶板处施加横向预应力可以显著降低剪力滞效应的影响，可以适用于大跨径，宽翼缘板的梁桥。

3.5 不同锚固位置对剪力滞效应的影响 取A—A截面为研究控制截面，距离固端为2.6m，模型四为锚固位置距离顶板2.583m，模型三为锚固位置距离顶板2.083m，模型二为锚固位置距离顶板1.583m，模型一为锚固位置距离顶板0.883m。

把该控制截面在不同锚固位置时的应力绘成曲线，如图13。

由以上应力对比图可以看出，力筋锚固位置对剪力滞效应影响并不敏感。如果将预应力局部作用区域除外，应力变化并不明显，主要适用于弯起角固定不变，锚固位置变化时。

3.6 预应力弯起角度对剪力滞效应的影响 模型一弯曲半径为10m，模型二弯曲半径为12.19m，模型三弯曲半径为15m，取A—A截面为研究控制截面，距离固端为2.6m。

由图可知：弯起角与剪力滞效应成反比，弯起角越小，则力筋沿纵向分力越大，剪力滞效应越突出。

4 结果对比

选取根部截面A—A为控制截面，距离桥墩中心线2.6m。ANSYS模型计算主要选取了前四个施工节段，即0#块，1#块，2#块，3#块，4#块，对这四个工程阶段进行分门别类，分别建立模型进行计算。对比结果见表1。

通过以上表格计算和实测数据表，我们可以清晰地看出，随着施工节段的增加，跨径的逐渐增长，最大剪力滞系数逐渐减小，最小剪力滞系数逐渐增大。通过以上表格计算和实测数据表就可以看出。这表明截面随着施工长度增加，约束增强，剪力滞影响变小，剪力滞效应趋于不明显，亦即剪力滞系数逐步趋近于同一个稳定的数值，顶板、底板的正应力分布趋于均匀。剪力滞随宽跨比的增大而增大。

5 结论

结合宽翼缘薄腹变高度连续箱梁桥悬臂浇注的施工方法，研究在施工阶段重力及预应力作用下混凝土结构的剪力滞效应，通过有限元模拟悬臂施工全过程的方法，随着后浇注节段数量增加剪力滞系数呈现递减规律。节段浇注施工的进展，悬臂长度的逐步增长，节段剪力滞系数一般逐步趋近于同一个稳定的数值，顶板、底板纵向约束作用的增强，亦即剪力滞效应趋于不明显，顶板、底板的正应力分布趋于均匀。亦即剪力滞效应趋于不明显，顶板、底板的正应力分布趋于均匀。腹板厚度和M锚固位置的变化对剪力滞效应影响不甚明显。而宽高比，宽跨比越大，未施加横向预应力越小。通过对比实测和计算结表明，用ANSYS软件进行模拟分析是可行的，也得到了非常精确的求解，它对设计和施工有一定的参考价值。

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