叶如

（宁波轨道交通集团有限公司，浙江 宁波　315100）

大挑臂宽扁混凝土箱梁空间应力分析

叶如

（宁波轨道交通集团有限公司，浙江 宁波315100）

以目前城市高架桥梁中常见的大挑臂宽扁断面方案为主要研究对象，对其纵向正应力的全断面分布进行有限元分析，得出正应力分布规律，从而指导工程设计。

大挑臂；宽扁；混凝土箱梁；应力分析

0　引言

近十多年来，随着我国经济的蓬勃发展，货物和人的交通运输需求日益增加，城市高架道路建设在全国各地全面铺开。城市高架道路上的桥梁由于景观需求，桥梁上部结构往往会采用大挑臂、斜腹板断面形式。

图1、图2所示为城市高架中较为常用的断面形式。该方案主线标准断面结构顶宽25.2 m，底宽11.0 m，挑臂长4.0 m。断面顶面横坡为双向2%，底面水平，道路中心线处梁高2.2 m。跨中断面顶板厚0.25 m，底板厚0.22 m，腹板厚0.4 m；墩顶断面顶板厚0.25 m，底板厚0.40 m，腹板厚0.7 m。为达到大悬臂的效果，采用斜度较大且为弧线型的外腹板。考虑这种外腹板受力复杂且剪力传递效率较差［1］，故减小其厚度，弱化其抗剪作用，而单纯地作为支撑边挑臂的加劲撑杆之用。

图1　桥墩处横断面图（单位：cm）

这种大挑臂、斜腹板的断面形式使得桥梁上下部结构浑然一体，减少压迫感。但是从结构受力方面来分析，过大的挑臂和斜度较大的腹板，不但使得结构横向受力变复杂（大于2.5 m的挑臂使得规范检算公式不再适用，大斜度的腹板使顶板变为拉弯构件），而且使得结构纵向正应力全断面分布不再复合初等梁理论［2］。本文就以纵向正应力的全断面分布为切入点对箱梁进行空间应力分析。

1　分析概况

高架工程设计中最为典型的上部结构为30 m+ 30 m+30 m的连续梁，故以此三跨一联的连续梁作为本文的研究对象。为了简化计算，只建立半桥模型。半桥几何模型如图3所示。

梁体结构中混凝土部分采用Solid65实体单元模拟，预应力钢束采用link8单元模拟，并通过设置link8单元的初应变来施加预应力［3］。在支座位置和跨中断面施加相应的边界条件。有限元模型见图4，钢束模型见图5。

对于预应力混凝土箱梁，恒载基本占其总荷载的60%以上，而汽车活载一则比例稍小，二则可通过乘以1.1～1.5的不均匀系数加以考虑，因此本文未作考虑，仅计恒载工况，具体考察工况如下：

（1）恒载（含二期恒载）

（2）恒载（含二期恒载）+预应力

2　分析结果

分析结果同时提供在上述两种荷载工况下边墩墩顶、边跨跨中、中墩墩顶和中跨跨中断面的正应力，断面位置见图6。

图2　跨中断面图（单位：cm）

图3　半桥几何模型图

图4　半桥有限元模型图

图5　预应力钢束图

图6　应力分析断面位置示意图（单位：cm）

2.1恒载（含二期恒载）

恒载（含二期恒载）作用下各断面应力结果如图7～图9所示。

图7　半桥应力图（一）

图8　各断面应力图（一）

从以上计算结果可以看出：在恒载作用下，各断面顶板纵向正应力横向分布极不均匀，可见大挑臂扁平箱梁在弯矩作用下剪力滞效应极为明显，最大剪力滞系数可达1.8左右（不考虑梁端1-1断面局部应力紊乱区），且在墩顶附近挑臂端部应力大于腹板附近应力，即出现负剪力滞现象。表1为恒载工况下各断面应力分析表。

2.2恒载（含二期恒载）+预应力

恒载（含二期恒载）+预应力作用下各断面应力结果如图10～图12所示。

从以上计算结果可以看出：在恒载和预应力作用下，除梁端（1-1断面）局部传力区外，各断面顶板纵向正应力横向分布较不均匀，但较恒载作用下有明显改善，最大剪力滞系数为1.3左右。其原因主要是预应力的轴力效应，根据圣维南原理，轴向集中力经过一定的扩散区域后可在全断面较为均匀地分布。因此，当用初等梁理论计算预应力箱梁时，正如《公路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土设计规范》中规定的那样，对于计算轴向力引起正应力时宜采用全断面，而计算弯矩引起正应力时应采用考虑有效宽度后断面［4］。表2为恒载+预应力工况下各断面应力分析表。

表1　恒载工况下各断面应力分析表　MPa

图9　各断面顶、底板正应力横向分布图（单位：MPa，m）

图10　半桥应力图（二）

图11　各断面应力图（二）

图12　各断面顶、底板正应力横向分布图（二）（单位：MPa，m）

表2　恒载+预应力工况下各断面应力分析表　MPa

3　结语

梁是一种一个维度方向的尺度远大于另外两个维度方向尺度的构件，而大挑臂扁平箱梁横向尺度几乎和轴向的尺度接近，已不满足作为梁构件的前提，因此大挑臂扁平箱梁分析时应充分考虑纵向正应力在横向的不均匀分布。根据该工程的计算分析，当大挑臂扁平箱梁作为钢筋混凝土构件时，最大剪力滞系数可达1.8，故应进行较为精细的分析以保证设计安全；当大挑臂扁平箱梁作为预应力混凝土构件时，正应力不均匀性不是很明显，根据规范或相关文献的资料来计算即可达到工程设计的精度。

［1］许慧峰，应天益.预应力混凝土弧形腹板箱梁空间受力分析［J］.上海公路，2012（1）：32-35.

［2］徐科英.预应力混凝土弧形底多箱室梁结构分析及设计方法研究［D］.上海：同济大学，2005.

［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］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

U441+.5

B

1009-7716（2016）07-0133-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.039

2016-04-11

叶如（1985-），男，浙江宁波人，工程师，从事市政工程建设工作。