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连续箱梁桥施工阶段负剪力滞效应研究

2021-08-21 来源:榕意旅游网
公 路 与 汽 运 138 Highways&Automotive Applications 总第1 66期 连续箱梁桥施工阶段负剪力滞效应研究 郭伶 (台州市公路水运监理咨询有限公司,浙江台州 317000) 摘要:在初等梁理论的基础上,利用变分原理和有限差分法推导出在悬臂状态下梁的应力,得 到理论剪力滞系数;结合某桥悬臂施工,实测了顶、底板应力值并计算了剪力滞系数,并对二者进 行了比较分析。研究发现,随着施工的进行,悬臂根部截面底板、1/8跨截面顶板、1/4跨截面底板 实测剪力滞系数与理论计算剪力滞系数变化趋势基本相同;悬臂根部截面顶、底板的剪力滞呈现 交替变化的特征,1/8跨截面顶板始终处于正剪力滞状态、底板由正剪力滞状态变为负剪力滞状 态,1/4跨截面顶、底板均处于负剪力滞状态,且负剪力滞效应明显。 关键词:桥梁;砼箱梁;悬臂施工;负剪力滞;变分法;有限差分法 中图分类号:U441 文献标志码:A 文章编号:1671~2668(2015)O1—0138—06 箱形截面梁以其良好的抗弯和抗扭性能在工程 中得到越来越广泛的应用。箱形梁在对称荷载作用 下会产生弯曲法向应力,如果板肋交界处的应力大 于横截面上翼板中部的应力,则称作“正剪力滞”效 应;反之称为“负剪力滞”效应。忽略正剪力滞效应 究,指出宽跨比对主梁剪力滞系数影响最为显著;文 献[10]评述了当前工程中采用的主要剪力滞分析方 法,指出了目前箱梁剪力滞研究的主要方向,包括剪 力滞综合理论和分析方法的建立、负剪力滞和曲线 箱梁剪力滞的研究。 的影响,会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应 力;忽略负剪力滞效应的影响,会低估箱梁翼板中部 的挠度和应力,导致箱梁翼板出现横向裂缝。 1969—1971年欧洲相继发生的4起箱梁失稳和破 预应力砼连续梁桥悬臂施工中将出现明显的负 剪力滞效应,而当前剪力滞的研究对实际施工中的 剪力滞效应关注较少。该文以某三跨预应力砼连续 梁悬臂施工为依托,对中跨支点、1/8跨、1/4跨附近 截面应力进行监测,利用变分法求解剪力滞系数,并 坏事故就是由上述原因引起的。 随着新的桥梁施工工艺、材料和分析方法的发 展与进步,国内外学者针对箱梁剪力滞效应作了大 将数值差分解与实测值进行对比分析,对悬臂施工 状态PC箱梁负剪力滞效应进行研究。 量研究:文献[13、1-33系统阐述了悬臂施工期间箱梁 负剪力滞产生的原因并用变分法进行了求解,通过 l差分法数值分析 1.1基本假定 有机玻璃模型试验进行了验证;文献[-43研究了荷 载在简支箱梁顶板横向变位下箱梁顶、底板的剪力 滞效应变化,指出剪力滞效应的误差由所设翼缘板 纵向位移的准确性及竖向位移和纵向位移的关系等 按位移函数为四次抛物线变化规律应用变分法 推导负剪力滞效应。求解中的基本假定如下: (1)对于腹板的应力、应变关系,仍适用于初等 梁理论;对于上下翼板的应力、应变关系,则仅考虑 6 z、t z 。 因素决定;文献[5]通过模型试验研究了箱梁在集中 荷载、均布荷载作用下不同截面的剪力滞现象,并得 到了翼缘等效宽度计算系数;文献1-6]运用ANSYS 对大悬臂砼箱梁桥进行空问分析,并与模型试验进 行了对比分析;文献[7]对预应力RPC简支箱梁剪 力滞效应进行了试验分析,发现其剪力滞效应比同 (2)W表示箱梁的竖向位移,沿跨径方向的位 移函数为 , )一h l dw+(1~ ) )j (1) 等条件下普通砼箱梁的大;文献[8]对悬臂施工阶段 预应力箱梁的剪力滞效应进行了有限元分析,分析 了预应力张拉对箱梁剪力滞的影响;文献[9]对斜拉 桥单箱三室扁平钢箱梁的剪力滞效应进行了系统研 如图1所示,“(z)表示在z处由于剪切变形引 起的扭转角的最大差值。当截面的悬臂长度为b 时,悬臂部分“(z, )与腹板间翼板上的变化规律 相同。 2015年第1期 郭伶:连续箱梁桥施工阶段负剪力滞效应研究 139 y 图1箱形截面正应力分布 1.2利用最小势能原理推导变分方程 根据变分原理中的最小势能原理, 一0,7f"—V —w(V表示结构体系中的应变能;W表示z外力 的势能)。当箱形梁弯曲时,外力势能 =一『M( ) (2) 箱形梁的应变能为腹板、上下翼板应变能之和: V—V +V +V∞ (3) 式(3)中几何关系为: f a“ (z,Y) Ou (z,Y) 1 “一— ~;y“一— 。 一 (4) I Ou b(z,Y) Ou 6(z, ) l 一— 一;7b一— 一 由以上可得整个结构体系的总势能: 丌一V +V +V 一W (5) 将式(1)带入式(4),再将得到的应变变量代人 式(3)中,经过积分后得到: V 一 2E 6』[硼 + “地+T8 w…u+ G了16 u z."qJ dz (6) V 一 2E ;6j’[砌忱十 “ +i8 “ + G 16 u z ]jdz (7) 箱形梁横截面抗弯惯性矩: 』J = “+ 4 “ :+2 (8 IJ一 +j + 因此,将式(6)~(8)联立可得到上下翼缘板的 应变能之和: + 一丢E J’f-wnz-I- 32 , +詈硼 + ]fd出 z (9) 将式(2)、(4)、(9)代人7r=V一一W一中,得到: 丌一 I M( )叫 +- ̄E1w + 2 EI + (EI 16“,z+E1 詈叫 )+ 号G 筹 ㈣ 由变分法可知 =0,即: 玎一 [M cz +EI +詈 EI ]d础 + [ G 一暮E “ 一 2 E, 叫 ]・ “如+[( 32E “,+詈EJ 叫 ) ]: 一。 0 M(z)+E1w +善EI “ 一0 16GJ u一 32E ∥了“一詈EJ 叫,,一。 (11) [E, (慕“ + 2砌 )3u] 一。 当箱彤截面梁为变截面形式时,将式(11)中的 第一式两边分别对 求导,得: ]+叫 +詈(争)“ +詈(争) 一。 (12) 将式(12)与式(11)中第二式联立,消去W ,并 令a(z)一J ( )/i( )、 一1/(1—9/40a)、忌 一 45Gn/(14Eb。)、聊一9/10a ( ),得到变截面剪力滞 效应的微分方程及边界条件为: f ,一 “,一是 “一 96nE LrMJ(zx))-- ~ n 。 由于考虑m与不考虑 的结果非常接近,故 将 取值为零,则式(13)化为: -_9n川FM (x ) z~ ∞ 。 1.3利用有限差分法求解变分方程 由于上述变分方程中M、I、“、“ 均为z的函 140 公 路 与 汽 运 2015年1月 数,不能得到变分方程的理论精确解,利用有限差分 法求解变分方程。采用中差分形式,第i点 (z)的 微分形式用以下差分形式代替: ) 一兰:± 二兰!二 (15) d。U 、 “ 十1十“ ~1一Z“ dx。 /. 2倪 式中:a为差分步长。 将式(15)代入式(14)中的第一式,得: 2 _广(4十2k Z a 2 +2 一 P (16) 边界条件的差分形式为: fL_  2a 一旦 16 E J,。 :::o 考虑剪力滞影响,翼缘板的应力为: :--Eh ,一( 一暑一詈 ]} 剪力滞系数为: 一二 (18) 式中: 为考虑剪力滞效应时的应力; 为不考虑剪 力滞效应时的应力。 2工程概况与监测方案 2.1工程概况 某桥主桥为三跨砼连续箱梁,跨径为60 m+ 1lO m+60 m,采用单箱单室直腹板、变高度、变截 面结构形式,中支点梁高9.0 m,边跨直线段梁高 5.0 133,设计桥面总宽13.5 m,南北走向,桥梁法线 与河流中心线的夹角为18。,梁体采用C55砼。 2.2 监测方案 为研究悬臂施工期间砼箱梁负剪力滞效应及其 变化,在中跨侧中支点、1/8跨、1/4跨附近截面埋设 钢弦式应变计,埋设截面如图2所示。重点对腹板 与顶、底板交叉处及顶、底板中部的应变进行监测, 截面上传感器分布如图3所示。以该截面砼浇筑后 实测值为初始值,测量砼浇筑、挂篮前移、预应力张 拉等关键工序前后的应变值。整理数据时剔除温度 的影响,将应变值转化为实测应力值。 3 差分法数值解与实测值对比分析 差分法中考虑了预应力产生的弯矩,忽略了预 应力产生的轴向力;将每个节段内的变截面简化为  .3 ooo . 1 770 l60 3-3 2-3 1] 15, I114,I[ 13, I[12,II ll, 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 O 3 2 1_j 图2钢弦式应变计布置截面(单位:ram) —————一 —~ — 图3截面上应变计布设示意图 等截面进行计算;箱梁的上、下翼缘在计算中作为整 体考虑剪力滞效应。将差分法用于该桥悬臂施工并 施加预应力的梁段,与实测桥梁悬臂施工中的应力 值进行对比分析。实测剪力滞系数定义为顶、底板 各位置处应力值与实测均值的比值。根据不同的工 况和位置,选用顶、底板中部的实测剪力滞系数与理 论剪力滞系数进行对比分析。 3.1 1 截面底板实测剪力滞系数与计算剪力滞系 数对比 1 截面位于悬臂T构根部,受力状态最为复 杂,施工荷载、预应力张拉、材料参数变化、温度等都 会对其受力产生影响。因此,其剪力滞效应变化也 较复杂。中跨1 截面底板计算剪力滞系数与实测 剪力滞系数分别如图4、图5所示。 挺 施工阶段 图4 1 截面底板中计算剪力滞系数 从图4、图5可以看出:实测剪力滞系数与理论 剪力滞系数有一定差异,但二者的变化趋势一致,说 明理论计算方法能表达出与实际一致的剪力滞变化 2015年第1期 郭伶:连续箱梁桥施工阶段负剪力滞效应研究 141 挺 钕 2 2 2 2 2 1 l l l l 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O 施工阶段 图5 1 截面底板中实测剪力滞系数 情况。悬臂施工过程中,处于悬臂根部位置的1 截 面底板始终处于负剪力滞状态。随着施工的不断进 行,宽跨比不断减小,剪力滞系数先随着宽跨比的减 小而增大,8 块张拉后随着宽跨比的减小而减小。 由于在实际工程中存在较大轴向预应力,而在理论 计算中没有考虑轴向压力的影响,因此二者数值之 间存在一定差异。 3.2 2 截面顶板实测剪力滞系数与计算剪力滞系 数对比 2 截面位于中跨l/8跨附近,是施工监测关键 截面之一。在悬臂施工中,2 截面顶板应力测量方 法与1 截面一致。2 截面顶板理论计算剪力滞系 数与实测剪力滞系数分别如图6、图7所示。 辍 耱 6 施工阶段 图6 2 截面顶板中计算剪力滞系数 逛 掀 6 施工阶段 图7 2 截面顶板中实测剪力滞系数 从图6、图7可以看出:2 截面顶板剪力滞系数 均小于1.0,即2 截面顶板处于正剪力滞状态,实 测剪力滞系数与理论计算值十分相近,可见理论计 算方法在2 截面处能正确体现各因素的影响。随 着施工的进行,宽跨比减小,但底板剪力滞系数变化 不明显,说明宽跨比对2 截面剪力滞的影响较小。 3.3 3 截面底板实测剪力滞系数与计算剪力滞系 数对比 3 截面位于中跨1/4跨附近,是监测关键截面 之一。悬臂施工中对3 截面处于悬臂3/4和1/2 截面时的剪力滞系数及在施加预应力前后的剪力滞 系数进行考察。3 截面在浇筑和张拉l2 、15 块 之后的剪力滞情况如表1所示,理论剪力滞系数与 实测剪力滞系数分别如图8、图9所示。 表1 3 截面底板部分实测应力及理论剪力滞系数 由表1可知:实测数据中3 截面底板在浇筑和 张拉12 、15 块后处于负剪力滞状态,与理论计算 出的剪力滞情况相同;由实测底板应力值可见预应 力张拉前后底板剪力滞系数变化不大,由此可判断 在单个施工阶段预应力对剪力滞影响不大;在理论 计算结果中浇筑、张拉后剪力滞变化很小,与实测应 力值体现出的剪力滞情况一致。 1.2 耱 1.0 襁0.8 9 l0 11 l2 13 l4 l5 l6 施工阶段 图8 3 截面理论剪力滞系数 142 公 路 与 汽 运 2015年1月 表2 1 截面顶、底板实测压应力值 挺 R 瓣 施工阶段 图9 3 截面底板中实测剪力滞系数 由图8、图9可知:3 截面底板在悬臂施工中一 直处于负剪力滞状态,且负剪力系数较大,与理论剪 力滞系数变化趋势差别较大。 辍 楚 禄 4砼箱梁实测负剪力滞分析 在悬臂施工阶段,箱梁不同截面剪力滞变化情 况较复杂,有的截面一直处于正或负剪力滞状态,有 的截面正负剪力滞交替,同一截面的顶、底板剪力滞 状态也有所不同,随着施工的进行呈现出不同的变 化规律。 4.1 1 截面顶、底板剪力滞分析 施工阶段 6 图10 1 截面顶板中、底板中剪力滞系数变化 顶、底板剪力滞变化分别用顶、底板中间部位的 剪力滞系数 表示,剪力滞系数以实测均值为基准 值求得(下同)。1 截面部分实测应力值如表2所 示,剪力滞系数变化如图1O所示。 至0.5,即由负转正,且变化剧烈。但从表2可知, 顶板中压应力由1.76 MPa降为0.33 MPa,应力水 平比较安全。 顶板剪力滞系数在1.0附近,且在施工过程中 剪力滞变化幅度不大,顶板多处于正剪力滞状态,顶 板中最大实测压应力为11.34 MPa,顶板与腹板交 接处最大实测应力为15.67 MPa。这是由悬臂施工 时各腹板预应力束线形布置及张拉所造成的。 4.2 2 截面顶、底板剪力滞分析 1 截面顶、底板剪力滞系数在施工中的变化规 律不同。顶板处于正剪力滞状态时,底板处于负剪 力滞状态;而顶板处于负剪力滞状态时,底板处于正 剪力滞状态。底板除在施工阶段1、6、7外均处于负 剪力滞状态,且负剪力滞效应明显,剪力滞系数入最 大值为2.75,最小值为0.26。从图10可见,施工阶 段5至施工阶段6,底板中剪力滞系数 由2.75降 2 截面部分实测应力值如表3所示,顶、底板 剪力滞系数变化如图1l所示。 表3 2 截面典型实测压应力值 悬臂施工过程中,2 截面顶板剪力滞系数始终 小于1.0,处于正剪力滞状态,施工过程中波动不 态,此时2 截面位于已浇筑悬臂段1/4截面位置, 底板中压应力为一3.27 MPa,底板左压应力为 一大,最大实测压应力值为一18.44 MPa(顶板左);底 板在张拉11 块后由正剪力滞状态变为负剪力滞状 4.13 MPa;底板最大剪力滞系数为1.18,此时底 板中压应力为~11.24 MPa,应力水平较为安全。 2015年第1期 郭伶:连续箱梁桥施工阶段负剪力滞效应研究 143 另外,箱梁左侧腹板实测值均大于右侧实测值, 1 1 0 O 2 O 8 6 说明施工中存在偏载现象,将导致箱梁发生扭转,进 一步加深剪力滞的不利影响。 船 4.3 3 截面顶、底板剪力滞分析 3 截面部分典型实测应力值如表4所示,剪力 滞变化情况如图12所示。 6 8 lO 12 14 16 从图12可知:3 截面顶、底板的剪力滞系数变 施工阶段 化规律基本一致,所在号块张拉结束后顶、底板均处 图11 2 截面顶板中、底板中剪力滞系数变化 于正剪力滞状态,随后的施工过程中顶、底板一直处 表4 3 截面典型实测压应力值 2・0 时间变化及各截面的形状、腹板厚度和惯性矩等截 l・8 1.6 面特性的不同都会影响箱梁顶、底板的剪力滞状态, 1.4 温度、桥面上不对称临时施工荷载等也会对顶、底板 1.2 受力状态造成影响。 猕1.o O.8 5 结论 施工阶段 (1)悬臂施工中考虑负剪力滞影响的应力值理 图12 3 截面顶板中、底板中剪力滞系数变化 论计算可通过变分原理推导出常微分方程,再利用 于负剪力滞状态,且负剪力滞效应明显,底板剪力滞 有限差分法求解,得出横截面各位置处的应力值,进 系数由高到低变化较大,顶板中剪力滞系数由高到 而求得剪力滞系数。通过比较,理论计算结果与桥 低趋于平缓。尽管底板负剪力滞效应更为明显,但 梁某些部位的实测剪力滞系数变化趋势一致。故理 从表4来看,其实测应力值水平不高,底板中最大压 论计算方法可以应用在悬臂施工中,对悬臂施工设 应力为一6.96 MPa。悬臂施工期间3 截面顶板长 计有指导意义。 期处于较高水平负剪力滞状态, 约为1.4,顶板中 (2)实际施工过程中剪力滞系数随着施工阶段 最大压应力为l8.28 MPa,腹板侧约11 MPa,处于 的推进而发生变化,顶、底板的剪力滞状态也有较大 较高应力水平,在设计初期需采取相应防裂措施。 差别,应引起足够重视。 从上述分析可知:剪力滞系数较大时相应应力 (3)虽然变分原理计算方法能正确表达正负剪 水平并不高;而剪力滞系数较低时其应力水平可能 力滞状态,但由于施工过程的复杂性,理论计算方法 较高。因此,在关注剪力滞系数大小的同时应关注 对实际状态进行了简化,在某些剪力滞发生突变的 绝对应力值的大小。该桥2 截面最大压应力值为 施工段不能用理论算法进行计算。另外,理论算法 18.44 MPa(顶板左边),3 截面最大压应力值为 还需考虑更多的影响因素,以更有效地指导悬臂梁 l8.28 MPa(顶板中部),是腹板侧压应力的1.7倍, 施工设计。 在悬臂施工过程中应弓l起足够注意。 上述关键截面剪力滞系数变化的反复性体现了 参考文献: 施工期间箱梁空间受力的复杂性。悬臂施工中腹板 [13张世铎,王文州.桥梁工程结构中的负剪力滞效应 预应力张拉、挂篮移动、新浇筑砼自重、材料参数随 [M].北京:人民交通出版社,2004. 144 总第1 66期 菱形挂篮设计及空间受力性能研究 余翔,王飞 (湖南路桥建设集团有限责任公司,湖南长沙410004) 摘要:结合某座三跨预应力砼连续箱梁,设计了一种菱形挂篮,并借助软件SAP20O0建立空 间有限元模型,对菱形挂篮进行有限元分析,分析计算了挂篮的强度、弹性变形和整体稳定性,验 H 证了挂篮设计的合理性和安全性,为同类型桥梁悬臂浇筑施工提供借鉴。 关键词:桥梁;菱形挂篮;悬臂浇筑;稳定性;有限元分析 公 中图分类号:U441 文献标志码:A 文章编号:1671—2668(2015)Ol一0l44一O4 某桥全长587.04 In,主桥跨越Ⅳ级航道。主桥 上部采用(42+72+42)m三跨预应力砼连续箱梁, 与 毗 cm,设2 的横坡,底板宽6.65 rn、厚0.28 m。横 来,其受力明确,主桁架均可简化为平面桁架结构计 算杆件内力,对各杆件按受拉受压分别进行计算,压 杆采用相应的屈曲长度校核其稳定性;其结构较简 箱梁为单箱单室截面,顶板宽12.00 m、厚0.25 单、构件较少,主桁架在拼装时均采用销子连接,拼 汽 度通过两侧腹板高低来调整桥面的横坡,箱梁根部 桥向底板与顶板成同向2 的横坡,箱梁顶面的坡 梁高按单箱中心高度取4.5 m,跨中梁高2.0 m。 该桥主要工程数量:C55砼3 430 m。;(b25精轧 螺纹钢筋12.295 t;(b 15.24钢铰线J85.405 t;工、Ⅱ 钢筋731.411 t。 装方便,拼接速度较快;可为箱梁顶提供宽敞的作业 空间,便于各种机具和施工人员往返,改善施工作业 环境,特别是在挂篮行走之前可张拉竖向预应力钢 筋。挂篮的行走方式采用无平衡配重自行,每套挂 篮重39.O0 t,在0 块浇筑完成后,0 块两端同时安 运 翼缘板悬臂长为2.8 1TI,端部厚0.25 m。 .如 装2套菱形挂篮。菱形挂篮由主桁架系统、悬吊系 统、行走系统、后锚固系统和模板系统五部分组成。 1.1主桁架系统 该桥采用悬臂浇筑施工。挂篮是悬臂浇筑施工 中的主要设备,按结构形式可分为桁架式、斜拉式、 钢板梁式及混合式4种。根据该桥连续箱梁结构受 菱形挂篮的主要承重结构是两片菱形桁架,每 片桁架由5根受力杆件销结而成。每片桁架的主梁 力特点和设计要求及工程实际情况,确定采用桁架 式中的菱形挂篮。 由2[36槽钢组焊而成,前上横梁与菱形主桁架采用 32 mm精轧螺纹钢联结,形成桁架受力结构承受 前悬吊所产生的荷载。挂篮的纵断面尺寸见图1。 1.2悬吊系统 1挂篮的设计 菱形挂篮是在平行桁架式挂篮的基础上简化而 悬吊系统是挂篮的关键传力系统,由前上横梁、 [2]Kristek V,Studnicka J.Discussion of negative shear lag in cantilever box girder with constant depthEJ2.Journal of Structure Engineerinrg,1987,113(1). 型桥空间数值仿真研究l_J].公路,2009(9). 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