分析桥梁结构剪力滞效应的新方法_靳欣华

2002年12月Dec.,2002

分析桥梁结构剪力滞效应的新方法

靳欣华1,

郑凯锋2,

陈艾荣1

(1.同济大学桥梁工程系,上海200092;2.西南交通大学,四川成都610031)

摘要:分析桥梁结构剪力滞效应的理论方法有许多不足之处.针对此不足,引入了用全桥结构仿真分析技术对剪力滞效应进行分析的方法,并讨论了它的优点.作为例子,对不同工况下金马大桥主梁中的剪力滞效应进行了分析;最后对理论方法和仿真分析方法的优缺点进行对比讨论,提出了进一步研究的建议;从而为桥梁结构剪力滞效应分析提供了一条新途径.

关　键　词:剪力滞效应;全桥结构仿真分析;桥梁结构

中图分类号:U441.5　　文献标识码:A　　文章编号:1001-716X(2002)04-0004-05

　　在箱梁或T梁受弯时,在翼缘的纵向边缘上(在梁肋切开处)存在着板平面内的横向力和剪力流.翼缘在横向力及偏心的边缘剪力流作用下,将产生剪切扭转变形,其不可能再象梁肋一样服从平截面假定,即梁截面的纵向应力沿横向不再是均匀分布的.剪切扭转变形随翼缘在平面内的形状与沿纵向边缘剪力流的分布有关.一般情况下,狭窄翼缘的剪切扭转变形不大,其受力性能接近于简单梁理论的假定.但宽翼缘因剪切扭转变形的存在,使远离梁肋的翼缘渐趋降低承弯功能,也即受压翼缘上的压应力随着离梁肋的距离增加而减小,此现象就称为“剪力滞后”,简称剪力滞效应.剪力滞效应在桥梁结构中的影响是不容忽视的.

上述理论方法应用一定的理论假设,建立理论框架,能够对剪力滞效应的形成原因、影响因素、效应大小等进行理论上的解释和计算,并且方便进行影响参数的讨论和分析,对于解决工程实际问题具有重要的理论意义.但用于工程实际中,这些理论方法还存在着许多不足之处,主要表现在:

1.从工程实际角度看,理论方法的推导和计算都很复杂、繁琐.

2.理论方法的共同特征是都建立在一定的假设之上,假设的合理性需辅以一定的试验进行研究.

3.由于理论假设的独特性和对物理特性的取舍,所以每种理论方法都有一定的工程局限性.

4.理论计算和分析基本局限于简单的梁截面及结构形式,对于较为复杂的截面和结构形式,其作用受到限制.

5.对荷载型式的考虑较为单一,如对收缩、徐变、温度、预应力等的影响没有或较少考虑.

1　剪力滞效应的理论分析

关于剪力滞效应的研究由来已久.在土木工程中,只是近几十年来,箱形截面梁在桥梁结构中广泛应用,剪力滞效应的影响愈益显著,引起国内外学者的广泛关注,提出了许多新的设想和不少新的理论,并通过较多的模型试验直接用于工程实际问题.综合起来有以下几种方法[1,2]:

1.卡尔曼(T.V.Karman)理论;2.比拟杆法;3.能量变分法;4.弹性理论解法.

2　分析剪力滞效应的新方法

针对上述理论分析方法的不足之处,引入全桥结构仿真分析技术对桥梁结构的剪力滞效应进行分析,从而为剪力滞效应的分析开辟了一条新的途径.

收稿日期:2001-11-12;修订日期:2002-01-18

作者简介:靳欣华(1977-),男,河南唐河人,博士研究生,从事大跨桥梁结构性能研究.

第4期　　　　　　　　　　靳欣华,等:分析桥梁结构剪力滞效应的新方法2.1　全桥结构仿真分析技术

全桥结构仿真分析方法是由郑凯锋[3]教授首先提出的桥梁计算分析方法,其技术核心是采用全桥空间计算模型和运用组合有限单元进行计算,即摈弃多年来桥梁计算所采用的人为假设(如假设计算体系或计算平面的划分与组合、假设构件平截面变形、假设连接形式为铰接或刚接、假设计算模型的边界条件等),并克服这些假设带来的不足,建立完整、统一的整座桥梁的结构分析模型,该模型准确模拟构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式、荷载作用、初始内力和初始变形,运用限制变形—还原内力原理确定结构仿真分析的初始形态,在此基础上进行大规模的全桥结构效应计算与分析,由此得到相对详尽、精确、可靠的分析结果.2.2　建立全桥模型

建立用于分析计算的有限元数学模型是全桥结构仿真分析的重要步骤.模型建立的好坏直接关系到分析的成败.2.2.1　建模原则

在全桥结构仿真分析计算模型的建立过程中,主要考虑以下几个方面的原则:

1.结构形状(包括构件的长度、宽度、厚度等)变化的要求;

2.材料特性(模量、容重、泊桑比、温度膨胀系数等)变化的要求;

3.桥面恒载、汽车活载作用模拟的要求;4.问题求解计算精度的要求;

5.计算求解过程中为避免出现病态问题的要求.

2.2.2　收缩、徐变及温度影响

《桥规》规定,对于分段浇注的砼或钢筋砼结构的收缩影响力,相当于降温10—15℃,对应的收缩终极值为15×10

-5

5

等效模量　Ecs=Ec+ηEs.等效密度　Dcs=Dc+ηDs.

式中:Ecs,Dcs———分别为钢筋砼的等效弹性模量、等效密度;Ec、Dc———分别为砼的弹性模量、密度;Es、Ds———分别为钢筋的弹性模量、密度;η———配筋率,小于2%时可以忽略.

全桥的各个部分配筋率各不相同,因此各个部分就会有不同的等效模量和等效密度.利用等效处理后的模量及密度更真实地模拟了钢筋砼材料的真实情况.

2.2.4　钢筋砼及预应力筋

仿真模型中,所有的钢筋砼材料都用8节点和6节点的实体三维单元进行模拟.材料特性包括弹性模量、密度、泊桑比、温度膨胀系数,其中弹性模量和密度采用等效模量和等效密度.钢筋砼的收缩与温度影响力的模拟,把温度直接加于单元节点上即可.

模型中的预应力筋采用杆单元进行模拟.力筋的材料特性包括弹性模量、密度、截面积、泊桑比、温度膨胀系数等.预应力筋中的预拉力用杆件降温来模拟.

2.3　全桥模型的计算与分析

依照以上建模方法,利用有限元程序ALGOR建立完整、统一的全桥仿真分析模型.然后依据此模型,按照所有不同工况,采用SSAPOH计算模块进行调试计算,并依据《桥规》规定,对该桥在各种工况下、各部分的受力及变形特点进行分析研究,以期提出合理的分析结果或对施工有利的建议.

3　实　　例

现应用全桥结构仿真分析技术对金马大桥的主梁剪力滞效应进行分析.位于广州一肇庆高速公路上的金马大桥主桥为60+283+283+60m的斜拉与T构组合体系桥梁(图1).

T构主梁采用双箱单室截面,斜拉桥采用边主梁结构形式,中间连接段构造复杂,利用理论方法计算此复杂结构的剪力滞效应将难以入手,因此采用全桥结构仿真分析技术对其进行分析.模型建立的详细过程请参考文献[4],模型对结构形状(包括构件的长度、宽度　厚度等)、材料特性(模量、密度、泊桑比、温度膨胀系数等)、恒活载(自重、汽车活载、收缩徐变、温度、预应力等)等进行了详细模拟.拟分析的荷载工况如表1所示.

—20×10

-5

.

徐变在仿真分析中用调整龄期的有效弹性模量法来考虑.有效弹性模量

Ec(τ)=E(τ)/[1+χ(t,τ)·Υ(t,τ)]式中:Ec(τ)———加载龄期τ时的弹性模量;χ(t,τ)———老化系数;Υ(t,τ)———徐变系数.

在超静定结构中,温度的影响是不可忽视的.一般按照设计要求的温差计入温度影响力.2.2.3　换算(等效)模量和密度

在仿真分析中,把钢筋砼视为匀质材料,这就需要对其弹性模量和密度进行换算,也即进行等效处理.

6重庆交通学院学报　　　　　　　　　　　　　　第21卷

图1　金马大桥桥跨布置及主梁断面表1　金马大桥剪力滞效应分析工况表

工况号123

工　　　况　　　类　　　型

成桥阶段远期、中间两跨人群荷载、汽超20作用(二次调索后)成桥阶段远期、右边跨人群荷载、汽超20作用(二次调索后)成桥阶段远期、降温23℃、右边跨人群、汽超20作用(二次调索后)

3.1　分析结果

在均匀荷载作用下,主梁截面正应力表现为不均匀性,显然即为剪力滞后效应的表现,在图2和

1

根部跨中端部

顶底顶底顶底

8.947.4310.097.879.6010.11

29.837.7510.086.8310.159.00

39.967.7011.116.9111.339.25

49.457.5710.047.4010.358.86

59.217.6810.157.4110.667.46

图3中示出了左T构主梁3个不同截面在3个不同

工况下的应力折线图.表2、表3为应力比较结果.

表2　工况1下左T构不同截面纵向正应力分布不均匀性比较

69.867.7611.236.9811.077.39

79.497.8210.266.839.897.35

89.567.5810.438.1110.388.75

σ9.4137.66110.4247.29310.4298.521

ξ1.0581.0201.0781.1121.8061.186

　　注:表中所列为结点的纵向压应力,单位—MPa;σ—平均压应力;ξ—不均匀性系数,定义为

ξ=σ,其中σmax/σmax为最大纵向压应力,后同.

表3　左T构跨中截面纵向正应力分布在不同工况下的不均匀性比较1

工1顶

工2面

工3

工1底

工2面

工3

10.0912.2411.047.874.925.32

210.0812.2844.066.833.894.33

311.1113.3312.066.913.964.41

410.0412.2511.037.404.494.90

510.1512.4011.167.414.524.93

611.2313.5412.246.984.074.50

710.2612.6011.346.833.924.35

810.4312.7811.508.115.215.59

σ10.42412.67811.4297.2934.3734.791

ξ1.0781.0681.0711.1121.1921.167

第4期　　　　　　　　　　靳欣华,等:分析桥梁结构剪力滞效应的新方法7

图2　不同工况下左T构跨中截面应力折线示意

图3　工况1下左T构不同截面应力折线示意

3.2　结　　论

通过以上的计算比较,可以得出以下几点结论:

1.从表2可以看出,左T构主梁截面纵向应力从根部到端部,其不均匀性系数逐渐变大,也即剪力滞效应逐渐明显,说明剪滞效应和截面位置有关.

2.从表3可以看出,随着应力值的增大,左T构跨中截面剪力滞效应逐渐减小,说明剪滞效应也与应力大小有关.同时看出降温导致剪滞效应增大,但幅值在3%以下.

3.从图3可以看出左T构跨中及端部截面的底面产生负剪力滞效应,这与截面的受力状态有关.

对于理论方法的不足,如它不能从理论上解释剪力滞效应的成因,对于一些参数分析不是很方便,另外模型复杂,需要较好的计算设备和软件等.因此,理论方法和新方法结合应用对于工程实际更有

意义.

5　讨论与建议

剪力滞效应在桥梁结构中的影响不容忽视,特别是近年来宽翼缘箱梁的应用相当广泛,已经成为影响设计的重要因素.而规范中对此的规定也过于简单,笼统地用“翼缘有效分布宽度”的方法处理,因此有必要对剪力滞效应进行进一步的研究.

理论分析可以从理论上对剪力滞效应进行定性的解释,并方便对影响剪力滞效应的因素进行参数分析,如宽跨比、截面宽高比、截面变化及荷载型式等对剪力滞效应的影响.仿真分析可以利用这些影响因素,建立不同的模型进行分析对比,如可以建立更复杂的截面形式、更复杂的荷载型式,可以对施工、运营等各个阶段进行多方位的分析,可以起到代替或部分代替试验的作用.

算例是结合金马大桥全桥仿真分析研究课题进行,有其工程实践意义.从算例的分析可知,全桥结构仿真分析方法对桥梁结构的剪力滞效应的分析还是行之有效的.

鉴于目前桥梁规范对剪力滞效应的规定过于粗糙,因此,笔者建议利用仿真分析方法结合理论分析,对影响桥梁结构剪力滞效应的各种参数进行进一步的分析研究,提出各种荷载下,不同截面形式、不同宽跨比、不同支承形式及不同截面加劲情况等等的有效宽度比,为规范的制定提供可靠的参考依据.4　新方法分析剪力滞效应的优点

基于全桥结构仿真分析技术的特点,根据对金马大桥的实例分析结果,运用其分析桥梁结构的剪力滞效应具有以下特点:

1.模型精确地模拟了结构行为,故其没有理论计算那样的假设,较为真实地模拟了实际情况.

2.其可以代替或部分地代替剪力滞效应的试验研究,从而节约了成本.

3.对于任何复杂截面和复杂结构形式的桥梁都可以进行剪力滞效应的分析.4.可以考虑更为复杂的荷载组合形式,包括恒载、活载和其它可变荷载的各种组合.

5.没有复杂、繁琐的推导和计算,分析结果直观、详尽、可靠.

虽然上面列出了新方法的许多优点,但也有相8重庆交通学院学报　　　　　　　　　　　　　　第21卷

参考文献:

[1]　张士锋,邓小华,王文州.箱形薄壁梁剪力滞效应

[M].北京:人民交通出版社,1998,4-9.

[2]　王文涛.刚构-连续组合梁桥[M].北京:人民交

通出版社,1997,203-211.

[3]　郑凯锋,唐继舜,王秀伟.全桥结构仿真分析技术

的最新进展[A].第十三届全国桥梁学术会议[C].上海:1998,373-378.

[4]　靳欣华.斜拉与T构组合体系桥梁全桥结构仿真分

析研究[D].成都:西南交通大学,2000.

Anewmethodofanalyzingtheeffectofshearlaginbridge

JINXin-hua1,　ZHENGKai-feng2,　CHENAi-rong1

(1.BridgeEngineeringDepartment,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract:Theoreticalmethodofanalyzingtheeffectofshearlaginbridgestructureshassomedeficiency.Aimingatthe

deficiency,weintroducedthetechnologyofstructrralsimulationforentirebridge,andanalyzedtheeffectofshearlaygbyusingitasanewmethod.Thispaperdiscussedabouttheadvantagesofthenewmethod.Asanexample,invariouscaseseffectofshearlaginJinmaBridgewasanalyzed.Finally,adiscussionabouttheadvantagesanddisadvantagesofthetheoreticalmethodandthenewmethodweremaderepectively.Consequently,itprovidedanewwaytoanalyzingtheeffectofshearlaginbridgestructures.

Keywords:effectofshearlag;structuralsimulationforentirebridge;bridgestructures

责任编辑:袁本奎