箱型简支梁在荷载作用下剪力滞效应研究

2020-05-13李玉宁

四川水泥 2020年2期

姚博李玉宁黄佩王彪刘刚

（西北民族大学土木工程学院，甘肃兰州 730030）

0 引言

如今，箱型梁因为其自身具有的抗弯、抗扭刚度大，结构轻盈，适应于现代化施工等优点，在越来越多的桥梁设计中被应用。但由于箱型梁受弯时横截面上的剪切变形对梁纵向位移的影响，此时截面的正应力已经不再满足初等梁理论的平截面假定，这使得靠近梁肋的翼缘参与承弯工作的程度比远离梁肋的翼缘大，即通常存在沿横向翼缘方向应力分布不均匀的剪力滞后现象[1]，导致局部应力较为集中。为了在工程实际中能够继续使用较为简单的初等梁理论公式进行计算，又能得出翼缘板实际应力的最大值，通常采用“翼缘有效分布宽度”的方法进行处理，即认为在翼缘有效分布宽度范围内均匀分布的应力等效于梁整个翼缘上分布的实际应力。

若剪力滞效应过大，梁肋与翼缘交接处应力设计值甚至会是初等梁理论应力计算值的1.3 倍[2]，这明显超过了梁承载能力的安全范围。若桥梁设计时不考虑剪力滞效应对梁的影响，就容易导致梁局部的开裂[3]，影响梁结构的安全性。在19世纪70 年代前后，在欧洲等地发生了钢箱梁桥的破损事故，其主要原因之一就是桥梁在设计时忽略了箱型梁的剪力滞效应引起的局部应力集中问题。因此只有对梁的剪力滞分布情况有一个清楚的认识，才能在设计中做到更加合理，防止可能出现局部的开裂。针对此问题笔者对有机玻璃制作而成的简支箱梁模型[4]进行了集中荷载与均布荷载的加载实验，并对结果进行分析，以得到箱型梁在不同荷载工况下的剪力滞分布情况，对实际工程具有显著的参考作用。

1 模型准备

该模型参照了桥梁设计相关规范[5]，并结合工程实际，确定了箱型梁的截面尺寸与构造，利用氯仿粘接有机玻璃板制得两个箱型梁模型，实际跨径为120cm，计算跨径为110cm。分别在梁的跨中截面、1/4 截面、支座内侧截面布置应变测点。模型截面尺寸与测点布置详见于图1。经实测，得到有机玻璃泊松比μ=0.38，弹性模量E=2930MPa。

图1 模型截面尺寸与测点布置图

2 荷载实验

为得到在不同工况下箱型简支梁的剪力滞效应分布情况，本实验确定加载方式为跨中施加集中荷载以及计算跨径施加均布荷载。集中荷载分4 级进行加载，安全起见，以该简支箱梁模型理论极限承载值的75%作为第4 级荷载，荷载分级为2KN，4KN，6KN，8KN；均布荷载分4 级进行加载，同样以该简支箱梁模型理论极限承载值的75%作为第4 级荷载，荷载分级为4KN，8KN，12KN，16KN。

为了更准确的模拟在简支箱梁模型上施加集中荷载与均布荷载，该实验通过在加载截面顶板处设置分配梁，在分配梁上对称放置两个液压千斤顶，在分配梁与模型顶板之间设置单个受力杆或一层薄沙，以此分别模拟竖向集中荷载和均布荷载工况[6]。各个测点的应变值均采用DH3816 静态应变测量系统测得。

3 实验结果与分析

为更简便的描述剪力滞效应对梁弯曲正应力的影响，衡量剪力滞效应的大小，通常引入剪力滞系数λ，即考虑剪力滞效应后的正应力σ 与按初等梁理论计算得到的正应力 'σ 的比值。梁截面某一部位的剪力滞系数越大，则说明在该部位剪力滞效应的影响就越大，在梁的实际设计中就有必要考虑剪力滞效应。图2、图3分别是简支箱梁模型在集中荷载与均布荷载作用下跨中截面、1/4 截面、支座内侧截面顶板的剪力滞系数分布情况。