箱梁有效宽度研究.doc

箱梁有效宽度研究谢宝来 孙东利(天津市市政工程设计研究院，天津300051)【摘 要】箱形截面梁受弯时，在横桥向由于剪滞效应，贴近腹板的翼缘法向应力与腹板的法向应力相同，离腹板愈远则愈小。这种分布对于大箱眼的单箱单室箱梁非常明显，规范也做了相关的规定，但是，在单箱多室及单箱单室的小箱眼箱梁中，因受腹板分布及支撑位置的影响，其应力分布十分复杂，应在设计中和构造上给予足够的重视。【关键词】箱梁 有效宽度 剪滞效应 矮塔斜拉桥一、 研究模型的建立方法模型采用空间20节点的块单元，按桥梁的实际情况进行模拟。箱梁的横隔梁起着连接各条腹板的作用，在一定情况下减弱了剪滞效应，因此在研究模型上要充分考虑，使其更加和实际情况相符。本文不考虑活载及体内预应力影响，当考虑时，活载可以按效应进行扩大，体内预应力也可以按叠加原理加上去，毕竟每条腹板的体内预应力配置均相同。对于矮塔斜拉桥建模，按一次成桥考虑，拉索拉力按外载荷进行加载。(一) 单箱多室箱梁桥梁宽度16.5m，梁高2m，悬臂2m，跨径为等跨40m预应力钢筋混凝土箱梁，分别模拟单支点、双支点和线支撑，双支点支座间距8.5m，最大箱眼净矩3.4m。(二) 单箱单室箱梁桥梁宽度8m，梁高1.4m，悬臂2m，跨径为等跨25m普通钢筋混凝土箱梁，分别模拟单支点、双支点和线支撑，双支点支座间距3m，最大箱眼净矩3m。(三) 单箱单室大箱眼箱梁桥梁宽度16.5m，梁高3m，跨径为等跨55m预应力钢筋混凝土箱梁，分别模拟单支点、双支点和线支撑，双支点支座间距3m，最大箱眼净矩7m。(四) 矮塔斜拉桥桥梁宽度33.5m，梁高5.253m，跨径为90.5+150+90.5m预应力钢筋混凝土箱梁，按实际情况模拟，支座间距4m，最大箱眼净矩5.55m。斜拉索为单索面布置，每个桥塔处为12对，每对横桥向1.2m间距布置2根OVM250AT-61钢铰线拉索，每对拉索张拉力为12000kN。二、 单箱多室箱梁的有效宽度(一) 受支撑形式和位置的影响较大当桥较宽时，单支点支撑对箱梁顶板应力的影响较大，受横梁影响，锋值向梁中线靠拢，其大小比平均应力大2.5MPa左右。当采用双支点时，应力分布还是比较均匀的。但是无论采用何种支撑方式，其悬臂处的应力均较小。图1 单箱多室箱梁中支点处上缘应力分布图表1 单箱多室箱梁中支点处上缘应力特性编号支撑形式最大应力(MPa)最小应力(MPa)应力差(MPa)有效宽度(m)有效宽度/全宽1单支点9.815.724.0912.200.742双支点7.905.242.6614.550.883线支撑7.555.202.3515.070.91(二) 顶板剪滞效应不明显可以看到，当支撑条件较好时，此种箱梁的顶板剪滞效应并不明显，线支撑无明显锋值出现，这是因为箱眼较小，整体受力协调。(三) 悬臂板剪滞效应明显因悬臂板为自由端，受剪滞效应影响较明显，应力水平较低，按面积等效的原理，计算和配筋应当考虑，计算宽度按悬臂宽度的50%给予考虑。(四) 研究结论1. 宽箱梁不宜采用单支点的支撑形式，当必须采用时，计算模型应当采用梁格法，平面杆系的计算结果误差太大。如果采用平面杆系进行计算，则支点处应力应当给予适当的安全储备。2. 宽箱梁的箱眼净距不宜超过3.5m，这种构造使我们不必要考虑顶板的剪滞效应。3. 应当尽量增加支点个数，这样使箱梁应力分布更加均匀。4. 计算宽度为桥宽减去两侧悬臂宽度的一半，布置其内钢筋为有效钢筋。三、 单箱单室箱梁的有效宽度(一) 受支撑形式和位置的影响不大经计算分析，支撑形式和位置的影响不大，受横梁影响，锋值向梁中线靠拢。图2 单箱单室箱梁中支点处上缘应力分布图表2 单箱单室箱梁中支点处上缘应力特性编号支撑形式最大应力(MPa)最小应力(MPa)应力差(MPa)有效宽度(m)有效宽度/全宽1单支点5.142.872.276.330.792双支点4.642.691.956.640.833线支撑4.822.742.086.520.82(二) 顶板剪滞效应不明显从图2可以看出，顶板剪滞效应不明显，箱眼还有增大的潜力，可以由3m增加到3.5m。(三) 悬臂板剪滞效应明显因悬臂板为自由端，受剪滞效应影响较明显，应力水平较低，按面积等效的原理，计算和配筋应当考虑，计算宽度按悬臂宽度的50%给予考虑。而且从应力图上可以看出，其悬臂长度偏大，8m桥宽的箱梁多用于弯桥中，减小悬臂，增加了截面抗扭惯量及减小了剪滞效应，可以说是一举两得。(四) 研究结论1. 受支撑形式和位置对剪滞效应影响不大。2. 箱眼净距不宜超过3.5m。3. 应当尽量减小悬臂长度，这样使箱梁应力分布更加均匀。4. 计算宽度为桥宽减去两侧悬臂宽度的一半，布置其内钢筋为有效钢筋。四、 单箱单室大箱眼箱梁的有效宽度(一) 受支撑形式和位置的影响不大经计算分析，支撑形式和位置的影响不大，基本不受横梁影响，锋值在腹板的正上方。图3 单箱单室大箱眼箱梁中支点处上缘应力分布图表3 单箱单室大箱眼箱梁中支点处上缘应力特性编号支撑形式最大应力(MPa)最小应力(MPa)应力差(MPa)有效宽度(m)有效宽度/全宽1单支点10.176.084.0913.900.842双支点10.366.493.8713.830.843线支撑11.057.083.9713.440.81(二) 顶板和悬臂板的剪滞效应明显因悬臂较长和箱眼较大，顶板和悬臂板的剪滞效应非常明显，此类箱梁要考虑剪滞效应，新的混凝土规范中有详细的计算方法与说明。五、 矮塔斜拉桥的有效宽度(一) 中支点的有效宽度上缘出现负剪滞效应，应力幅在2MPa以内，基本上可以不考虑。下缘虚线为支座产生的局部应力，局部效应本文将不给予考虑。上缘的计算宽度为27.43m，下缘的计算宽度为10.80m。图4 中支点上下缘正应力分布图(二) 拉索处的有效宽度此拉索为全桥倾角最大的拉索，离塔最近，从此根拉索开始，负剪滞效应逐渐增加，最后再变小，到无索区将变为正剪滞效应。上缘的计算宽度为29.41m，下缘的计算宽度为14.14m。图5 拉索处上下缘正应力分布图(三) 跨中的有效宽度剪滞效应增大，主要受到拉索外力引起的，上缘的计算宽度为19.14m，下缘的计算宽度为14.45m。图6 跨中上下缘正应力分布图(四) 边支点的有效宽度其悬臂板的剪滞效应增大，上顶板和下底板应力分布均匀。上缘的计算宽度为21.64m，下缘的计算宽度为14.30m。图7 边支点上下缘正应力分布图(五) 计算结论表4 各个截面有效宽度计算结果位置最大应力(MPa)最小应力(MPa)应力差(MPa)有效宽度(m)有效宽度/全宽中支点上缘-6.08-3.952.1327.430.82下缘0.600.100.5010.800.65拉索处上缘-8.57-6.611.9629.410.88下缘-1.45-0.760.6914.140.86跨中上缘6.442.384.0619.140.57下缘-7.14-5.411.7314.450.88边支点上缘-2.130.022.1121.640.65下缘3.112.400.7114.300.871. 对于多箱室的斜拉桥来说，上下缘的剪滞效应并不明显，主要受箱眼大小及拉索位置影响，没有规律性(因这种大桥同截面的较少)，因此针对特定的桥梁需要做专门的分析来确定。2. 对于矮塔斜拉桥体系，还经常出现负剪滞效应，主要出现在中支点及拉索处。3. 对于悬臂板采用撑板的结构体系，其计算宽度在无索区按一半考虑，有索区按全宽计算。4. 悬臂板受力复杂，在计算及构造上应给予足够的重视。参考文献1 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）北京：人民交通出版社 20042 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)北京：人民交通出版社 20043 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004) 条文应用算例 袁伦一