邹毅松，宋明曦

（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

1 箱梁特点

箱型梁有诸多优点：其截面抗扭刚度大，能够满足结构在施工与使用过程对稳定性的要求；在偏心荷载的作用下，由于纵向扭转、刚性扭转、畸变及横向翘曲的综合影响使其力学行为与一般杆系结构存在一定差异；箱型截面的顶板和底板都能有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋率的要求，适应具有正负弯矩的结构；截面效率高，并适合预应力混凝土结构空间布束，能够得到更好的经济效果；对于宽桥，由于抗扭刚度大，跨中无需设置横隔板就能获得满意的荷载横向分布。

2 箱梁空间受力分析

2.1 箱梁的特征参数

为便于研究讨论，取两种截面形式的箱梁为分析研究对象，进行比较分析。其中1个截面形式为单箱五室的宽箱梁，顶板宽度为18m，宽跨比为0.8；另1个截面形式为单箱双室的普通箱梁，顶板宽度为 10.23m，宽跨比为 0.51。两箱梁跨径20m，梁高为2.05m，顶板和底板厚度为0.25m，腹板厚度为0.45m，两箱梁计算模型的具体尺寸如图1所示。

对梁段进行分析时，按照一端固定、另一端自由约束条件进行边界处理，选用C50的混凝土材料。材料特性为：弹性模量E＝3.45×104MPa，泊松比μ＝0.1667，由于箱梁截面形式不同，为降低自重对结果的影响，所以暂不考虑自重。

2.2 箱梁的有限元空间模型

通过有限元软件ANSYS分别建立结构有限元模型。用实体单元SOLID95进行模拟，SOLID95是SOLID45（3维8节点）高阶单元形式，此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，从而可以在保证精度的情况下降低网格划分个数，减少计算量。SOLID95有20个节点定义，每个节点有3个自由度，（X，Y，Z方向），在空间的方位任意，具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力，可满足综合考虑箱梁扭转、畸变、翘曲、剪力滞等方面的影响。

图1 箱梁构造（单位：m）

分别自下而上建立两个箱梁模型，以X方向为横向，以Y方向为纵向。宽箱梁离散成26548个节点，4032个单元，普通箱梁离散成13477个节点、2016个单元。结构离散如图2所示。

图2 箱梁结构离散

2.3 加载形式

为满足对比分析的要求，考虑最不利情况的影响，加载形式分为2种：1种为单侧加载，即在顶板0.45m×20m的面内施加10kN的压力；另1种为双侧加载，在顶板一侧0.45m×20m的面内施加10kN的压力，以及在另侧的对称位置面内施加10 kN反方向的力，具体位置如图3所示。

图3 加载形式

3 模型结果分析比较

3.1 单侧加载应力变化情况

单箱多室宽箱梁和单箱双室箱梁顶板横向（X方向）应力，具体如图4所示，当单侧加载时，单箱双室箱梁顶板应力在固定端应力分布不均匀，最大值出现在加载位置的固定端部分，而在加载位置与腹板相交的地方出现的部分区域应力减小，而此箱室腹板与顶板相连接的地方应力出现增大的突变，并向固定端处延伸。另1个箱室区域的应力趋势无明显变化，也就是说单侧加载的应力没有影响到远离荷载作用的箱室。而单箱多室宽箱梁的应力最大值与单箱双室箱梁相同，在加载位置与腹板相交的地方也出现部分区域应力减小，而在此箱室的另侧腹板与顶板相连接的地方出现了应力的突变，而这现象在之后的各个箱室的相同位置依旧出现，影响范围在荷载作用处附近，远离荷载作用处的应力局部突变的效应逐渐减小。

单箱多室宽箱梁和单箱双室箱梁底板横向（X方向）应力，具体如图5所示，单箱双室箱梁底板也按照顶板的应力相似分布，在荷载作用位置的应力突变范围与单箱双室箱梁的突变范围相近，只是在远离荷载作用的箱室发生应力的减小。单箱多室箱梁与顶板应力分布相同，也产生了应力分布不一致，发生了突变，影响范围随着远离荷载作用位置而减小，在最远端的箱室里，只存在一侧的应力增大。

3.2 对称加载应力变化情况

单箱多室宽箱梁和单箱双室箱梁底板横向（X方向）应力，具体如图6所示。单箱双室箱梁顶板的应力分布十分的对称，固定端应力分布较均匀，在荷载作用位置与腹板相交的地方出现应力减小的突变，而在此箱室的另一端则发生应力增大的变化，另1个箱室的应力分布与其相同，而在靠近固定端的的位置，应力位置发生变化，应力突变增大与减小的位置在箱室的外侧。单箱多室宽箱梁顶板的应力分布与单箱双室顶板的应力分布相似，在荷载作用位置的应力突变范围也与单箱双室箱梁的突变范围相近，只是随着远离加载位置的箱室的应力突变逐渐减弱，但是在中部的箱室靠近固定端的部分出现应力的变化且与靠近悬臂端的应力突变分布相反。

单箱多室宽箱梁和单箱双室箱梁底板横向（X方向）应力，具体如图7所示。单箱双室底板的应力变化如顶板分布，并且一直向固定端延伸。单箱多室宽箱梁的底板应力变化十分对称，固定端和自由端的应力变化随着远离加载位置而增大，但在跨中位置的应力突变分布却与其相反，而且其大小的变化也随着加载位置的远离而减小，并且在中间的箱室中没有发生应力的突变。

4 结束语

本文主要通过有限元软件分析，对单箱多室宽箱梁在施加不同荷载作用下的空间力学性能进行研究，得到单箱多室宽箱梁在不同荷载作用情况下的横向内力分布，并且与单箱双室箱梁内力分布情况进行对比分析。

在单侧加载的情况下，单箱多室宽箱梁的应力突变随着加载位置的距离而逐渐减小，而单箱双室的应力突变基本均匀，腹板在其中起到关键作用，而且宽箱梁腹板较多，遭受剪切破坏，因此，应该重视单箱多室宽箱梁顶板与腹板交界处的应力突变的特殊变化，并进一步研究。

在对称加载的情况下，单箱多室宽箱梁的应力变化与单侧加载的情况下应力变化趋势相近，但在靠近固定端位置出现应力突变，与单箱双室的分布不同，而底板的应力突变变化趋势更明显。

在相同位置施加荷载的情况下，单箱多室宽箱梁与单箱双室箱梁出现不同的应力分布，这种情况应引起更多的关注。随着箱梁宽度的增大，宽跨比的增加，传统单箱单室的经典理论已不能很好的解决宽箱梁的问题，因此需要对其进行更深层次的研究。

[1] 郭金琼.箱梁设计理论[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 包世华，周恒.薄壁杆件结构力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4] 王新敏，张义强，许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5] Nam－Hoi Park，Sanghyun Choi，Young－Jong Kang.Exact distortional behavior and practical distortional analysis of multicell box girders using an expanded method[J].Computers and Structures，2005（83）：1607－1626.

[6] Ghani Razaqpur，Hangang Li.Thin－Walled Multicell Box－Girder Finite Element[J].Journal of Structural Engineering，1991（117）：2953－2971.

[7] 陶真林，曾诚.单箱单室宽箱梁空间受力分析[J].公路与汽运，2008（3）：156－158.

[8] 廖宇，李德建，郑建新.弧形底宽箱梁桥横向效应分析[J].交通技术与经济，2010，12（1）：83－86.

[9] 范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.