1 前言
目前设计中保守的认为剪力均由波形钢腹板承担[1], 对于大跨度变截面波形钢腹板梁桥, 尤其是悬臂施工期, 其应力状态甚至比成桥阶段更为复杂, 定量的对变截面波形钢腹板桥剪应力分布规律和截面各部分剪力分担比例进行研究, 有助于对该类型桥梁的优化设计。
2 剪应力分布研究
以广东省某波形钢腹板PC组合连续箱梁桥最大悬臂段为依托, 底板厚度按照1.8次抛物线由根部的1.2m变化到0.32m, 悬臂长79m, 梁高由根部的9.5m按1.8次抛物线变化到4m, 建立有限元模型, 混凝土结构采用solid95实体单元模拟, 波形钢腹板采用shell93壳单元模拟, 混凝土结构与波形钢腹板采用共节点的连接方式[2]。作集中力P=1000KN于波形钢腹板悬臂箱梁有限元模型端部, 不考虑自重, 箱梁根部波形钢腹板的剪应力分布较为复杂, 选取的截面应远离边界条件以及加载处所获得的结果更具有一般性, 故选取5个控制截面如图:
可利用对实体单元内力的提取方法提取顶底板混凝土截面所承受的剪应力[3]:
由计算结果可见, 当集中荷载作用于悬臂梁端时, 波形钢腹板承担着截面50%以上的剪力, 波形钢腹板越靠近荷载端所承担的剪力值越大, 靠近荷载端的5#截面钢腹板承剪比将近80%。同时可以发现越靠近荷载端, 混凝土顶板承剪比越大, 而混凝土底板承剪比则越小, 但混凝土底板所承受的剪力值相对要大于顶板, 靠近荷载端混凝土顶底板承剪比和可达20%以上。波形钢腹板上剪应力沿梁高方向近似均匀分布, 荷载作用于悬臂端时各个截面上剪应力分布规律基本相同, 截面竖向剪应力的最大值都是发生在波形钢腹板上, 在与混凝土顶板和底板交界处, 结构的剪应力出现突变值。
3 内衬混凝土长度对波形钢腹板剪应力影响
设计时通常都会在靠近箱梁根部前几个块段钢腹板内侧浇筑混凝土, 采用焊钉及与翼缘焊接的钢筋网进行完全连接形成内衬组合结构以改善受力性能。目前常见的计算内衬混凝土的剪力公式为[4]:
式中Vcd为内衬混凝土所承担的剪力设计值, Gc为内衬混凝土的剪切模量, Ac为内衬混凝土的平均断面面积, As为波形钢腹板的有效断面面积, Vd为竖向剪力值。
本文选取最大悬臂段分别建立无内衬混凝土、1块内衬混凝土、2块内衬混凝土、3块内衬混凝土、4块内衬混凝土, 仅考虑自重作用, 研究各部分的剪力分担。选取距根部1.815m的截面, 计算其钢腹板剪应力分布以及各部分承剪比。
由无内衬混凝土与有内衬混凝土分布曲线对比可看出, 在设置内衬混凝土的情况下, 箱梁根部波形钢腹板竖向剪应力不再符合均匀分布的规律, 有无内衬混凝土波形钢腹板剪应力分布差异很大, 同时也可以看出, 设置1块内衬时仍遵循沿竖向剪应力均匀分布, 设置2块至4块时内衬混凝土箱梁根部波形钢腹板剪应力分布规律相同, 波形钢腹板中部剪应力要小于波形钢腹板顶底部, 且内衬混凝土越长, 箱梁根部剪应力峰值越小。设置了内衬混凝土后, 波形钢腹板的承剪比明显降低, 而内衬混凝土长度对波形钢腹板的承剪比影响较小, 由表一可见, 设置内衬混凝土前, 波形钢腹板承剪比为0.458, 设置了内衬混凝土后, 波形钢腹板承剪比仅为0.135。波形钢腹板和内衬混凝土剪力分担比例按剪切刚度分配的理论公式计算值与有限元模拟值较为接近。
4 结论
(1) 波形钢腹板剪应力沿竖向类似均匀分布, 同一截面顶底板可分担截面的剪力占比可达20%, 且通常所采用的不考虑变截面效应且所有剪力均由钢腹板所承担所计算出的剪应力值偏于保守。
(2) 通过理论公式和有限元模拟的计算比较, 在箱梁根部混凝土底板较厚处, 无内衬混凝土波形钢腹板承剪比为45.8%, 而有内衬混凝土时同一个截面波形钢腹板承剪比仅为13.5%, 可以说明内衬混凝土的设置可以有效的分担截面剪力。但内衬混凝土长度变化对承剪比影响不大。
摘要：波形钢腹板桥梁由于受力明确, 造型美观, 本文基于有限元软件ansys, 考虑变截面效应对悬臂模型所选控制截面波形钢腹板剪应力分布规律和截面各部分的剪力分担, 同时对内衬混凝土长度对波形钢腹板剪应力分布及截面各部分剪力分担进行了研究。
关键词：波形钢腹板,剪应力分布,剪力分担,内衬混凝土
参考文献
[1] 张元海, 李乔.变截面梁的应力计算及其分布规律研究[J].工程力学, 2007, 24 (3) :78-82.
[2] 马云飞.ANSYS中壳与实体单元连接技术应用[J].价值工程, 2013.
[3] 熊刚, 杨立坡.基于ANSYS二次开发的实体单元模型内力图的实现[J].交通与计算机, 2007.
[4] 河南省地方标准DB41/T643-2010.公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范[S].人民交通出版社, 2010.