预应力混凝土宽箱梁横梁的实体有限元分析

・５６・　第３６卷第１４期　２　０　１　０年５月　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＩ＇ＵＲＥ　山　西　建　筑　Ｖ０１．３６Ｎｏ．１４　Ｍａｖ．　２０１０　文章编号：１００９．６８２５（２０１０）１４—００５６—０２　预应力混凝土宽箱梁横梁的实体有限元分析　徐摘波　要：通过实体有限元模型分析，充分了解横梁在自重、二期恒载及活载作用下的剪力传递方式，对横向预应力作用下　横梁所占的有效预应力有了清晰的认识，提出了对横梁分析的新思维。　关键词：横梁，剪力分配，Ａｂａｑｕｓ，宽箱梁　中图分类号：Ｔ１Ｊ３７８．２　文献标识码：Ａ　横梁的计算配筋是预应力混凝土宽箱梁桥设计计算的重要　心有一定的偏心以模拟预应力产生的弯矩效应。我们只关心荷　组成部分，也是难点之一，至今没有十分完善的计算分析理论。　载的分布状况，为了节省时间，没有模拟预应力钢束。对边横梁　目前现行规范中并没有提出横梁分析的具体方法，普遍采用　取某一剖面，分析结果如图２，图３所示。　的分析方法是将８５％的支座反力按一定比例作用在不同腹板上，　将１５％的支座反力采用均布荷载的形式作用在整个横梁长度上，　按平面梁理论进行配筋计算。　横梁由于受到与其相连的箱梁的约束，在荷载的作用下，它　的变形并不能完全按普通的平面梁理论进行分析，它的受力特征　具有空间效应。因此有必要对其作实体分析，充分了解横梁在不　同荷载和边界条件下的受力特性。　１计算模型　２　４　图２　预应力产生的轴力沿桥纵向分配　２．２　２　１．８　模型采用３０×４０×３０的连续梁形式，截面如图１所示。采　用Ａｂａｑｕｓ大型通用有限元软件进行实体分析。采用２０节点的缩　减积分单元，此单元相比一次单元可以提高计算的精度，而且计　算所需的内存比较少。单元全部采用立方体，可以提高计算精　度，在横梁处加密单元。对于实体单元，只能输出节点和积分点　１．６　１．４　１．２　１　Ｏ．８　的应力值，为了得到剖面上的弯矩值、轴力值、剪力值和扭矩值，　必须对截面上的各种应力进行积分计算。　图３　预应力及横梁自重产生的弯矩沿桥纵向分配　詈丰　图２，图３中，横坐标１表示横梁范围，大于１是考虑了有效　ｚ．ｓ　——————————　ｌ时　　时　Ｉ　　ｌ７．２　　ｌ分布宽度的影响。由图２，图３可知，随着有效宽度的增大，数值　趋向于一个常数，这符合极限理论。　由分析结果可知：对于轴向力，横梁剖面处的合力约为外作　用力的１／１．２５，而剖面处的弯矩值却不到预应力所产生的弯矩值　的１／２．２。因此，在模型中对截面参数采用一定的放大系数的方法　图１截面模型　２恒载截面剪力分布　　在梁单元的分析中，我们通常假设自重荷载和二期恒载，均　来解决此问题，具体的系数可以根据不同的桥梁具体分析得到。同时，当考虑模型中只受横梁自重作用时，发现剖面处的弯　是均布作用于梁单元，但是实际上两者在真实的实体分析中并不　样，自重是作用于每一个实体单元，而二期恒载只是作用于桥　矩折减与预应力产生的弯矩折减规律基本相同。由此可得，当提　取的支座反力作用在横梁上计算弯矩效应时，横梁截面惯性矩提　表面上。　一　在自重荷载和二期恒载的作用下，腹板所传递的剪力的比重　高系数可采用与计算预应力弯矩效应相同的惯性矩提高系数。均在９０％以上，并且腹板之间所分配的比例并不同，这不仅与荷　４支座位置影响　载形式有关，而且还与支座条件相关，这将在下面作进一步分析。　通过分别建立３支座（支座在箱梁腹板处）、２支座（支座在箱　腹板附近的单元所传递剪力的比重相比其他顶底板单元要　梁腹板之间）分析发现合理的支座布置对横梁的受力至关重要。　大得多，翼缘处单元所传递的剪力所占的比重非常小。由此可　３支座时，横梁处的荷载大部分是通过腹板传递的，因此荷载很快　知，如果按支座反力的１５％作为均布荷载平均作用在整个横梁长　传递到了支座处，横梁基本全截面受压，无需配置预应力钢束，而　度内并不合理。在这里建议将支座反力的３％作为均布荷载作用　在２支座的情况下，由于绝大部分荷载作用在腹板处，横梁在支　在翼缘长度内，剩余的１２％作为均布荷载作用在腹板问。　座处出现了很大的负弯矩，不利于截面受力，需配置钢筋。因此　３横向预应力影响　建议在条件允许的情况下，尽可能将支座设在箱梁腹板处，这将　　在预应力作用下，对横梁产生的作用效应必须考虑箱梁对其　大大改良横梁的受力。另外，支座布置对荷载在腹板间的分配也有影响：３支座时，　的扩散作用，即通常人们所考虑的有效分布宽度问题。为了研究　上述问题，在边横梁处作用对称的均布荷载，并且荷载对横梁重　在自重荷载作用下３个腹板所传递的剪力基本相等，在二期恒载　收稿日期：２０１０—０１．２３　作者简介：徐波（１９８５一），男，同济大学桥梁专业硕士研究生，上海２０００９２　第３６卷第１４期　２　０　１　０年５月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥ　兀瓜Ｅ　Ｖ０１．３６　Ｎｏ　１４　Ｍａｙ．２０１０　・５７・　文章编号：１００９—６８２５｛２０１０）１４—００５７—０３　某高层地下室结构无缝设计　李摘波李延刚　要：归纳了无缝设计的几种基本方法，通过介绍某高层地下室结构的无缝设计过程，提出多种方法联合作用实现不　设置伸缩缝、沉降缝的思路，从而为同类工程的地下室设计奠定基础。　关键词：地下室，无缝设计，后浇带　中图分类号：ＴＵ３１８　文献标识码：Ａ　当前建筑设计的发展对建筑结构设计提出越来越高的要求，　设置伸缩缝主要是为了释放温差和混凝土收缩、徐变产生的　设置变形缝要求缝两侧的结构完全独立，不仅给使用造成诸多不　应力，防止结构开裂渗水。常用的替代伸缩缝的无缝设计基本方　便，也加大了地下室防水的难度，因此大部分高层建筑地下室均　法包括后浇带、加强带、诱导缝、掺加外加剂和预应力技术等。　不设置变形缝，而是通过其他途径解决地下室超长以及主楼、裙　后浇带是代替伸缩缝最常用的方法，技术相对成熟。后浇带　楼问不均匀沉降的问题，一般称之为“无缝设计”。本文整理了无　只能解决混凝土的早期应力问题，对于后浇带浇筑后混凝土徐变　缝设计的几种基本方法，并分析了其优缺点，结合本工程地下室　和温度应力则不能发挥作用，而且从后浇带留设到其混凝土浇　结构设计过程，提出多种方法联合作用实现不设变形缝的思路。　筑，通常需要几个月时间，这造成施工时的许多不便。且在浇筑　封闭之前，后浇带内很容易落入杂物或在浇筑后浇带两侧板时流　入混凝土浆液。　１　无缝设计的基本方法　１．１　伸缩缝　作用下，外腹板所传递的荷载略大于中间腹板；在自重荷载作用　个腹板所传递的荷载基本相等。　对具体的横梁模型作实体有限元分析。　１）横梁的受力不仅与荷载形式有关，还与支座条件有着重要　置更可以大大改善横梁的受力。２）现行普遍采用的有效分布宽　惯性矩采用不同提高系数的办法，可以更精确反映在不同荷载形　式作用下与边横梁相连的箱梁对它的影响。３）活载作用下，应该　考虑扭矩对截面剪力传递分配的影响。４）由于截面形式的不同　下，中问腹板所传递的荷载略大于边腹板，在二期恒载作用下，３　关系。合理的荷载分配可以精确计算横梁的受力，理想的支座布　因此，为了精确分析荷载传递，对于不同的边界条件，有必要　度的方法并不十分合理，采用对横梁的不同截面特性值，如面积、　５活荷载的影响　为了考虑偏心布置车道产生的扭转剪应力对截面剪力传递　在有条件的　的影响，在模型中布置半边面荷载计算其效应。分析结果发现，　和边界条件的不同，每座桥都有其自身独有的特点，指导设计计算。　在荷载作用处的边腹板承受了大部分剪力。通过纯理论分析，把　情况下应对其进行实体有限元分析，　荷载分解，将分析得到的扭转剪应力和剪切剪应力叠加也可以得　参考文献：Ｊ］．中国市政工　到相同的结论。因此，在考虑活载作用时，我们必须考虑车道是　［１］徐相国．混凝土连续梁桥横梁的平面分析［否对称布置：对于对称布置的车道荷载，我们可以按照恒载分配　的理论进行分配；对于偏心布置的车道，则必须考虑扭转剪应力　对腹板剪力分配的影响。　车辆布置在横梁上，对其进行影响线加载。车辆荷载的取值采用　置虽然考虑了活荷载的横向分布，但是荷载主要是通过腹板传递　的，荷载作用点并不一定在腹板处，因此这种方法不是很合理。　程，２００７（２）：２８—３０．　［２］周昭慧．配筋混凝土宽箱梁桥预应力横梁计算方法［Ｊ］．山　西建筑，２００７，３３（５）：３３７—３３９．　社．１９９８．　械工业出版社．２００７．　３］　朱伯芳．有限单元法原理与应用［Ｍ］．北京：水利水电出版　有的设计人员在进行活载分析时，考虑的是车辆荷载，即把　［Ａｂａｑｕｓ有限元分析实例详解［Ｍ］．北京：机　的是活载产生的最不利支座反力除以所布车辆的数量。这样布　［４］石亦平，周玉蓉．［５］杨晓军．钢筋混凝土加固梁的有限元分析［Ｊ］．山西建筑。　２００８，３４（３４）：８４—８５．　６结语　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｍａｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｇｉｒｄｅｒ　ｏｆ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｏａｄ　ｂｏｘ　ｂｅａｍ　ＸＵ　Ｂｏ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｆｉｎｉｔｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｅ　ｃａｎ　ｆｕｌｌｙ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｈｏｗ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ　ａｒｅ　ｔｒａｎｓｌａｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｓｅｌｆ－ｗｅｉｇｈｔ　ｌｏａｄｓ，ＳＵ．　ｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ　ｄｅａｄ　ｌｏａｄｓ　ａｎｄ　ｌｉｖｅ　ｌｏａｄＳ　ａｎｄ　ｗｅ　ｃａｎ　ａｌｓｏ　ｍａｋｅ　ａ　ｄｅｅｐ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｂｅａｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｗｅ　ｐｒｏｐｏｓｅ　ｓｏｍｅ　ｎｅｗ　ｉｄｅａｓ　ｔｈａｔ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｂｅａｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｂｅａｍ，ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，Ａｂａｑｕｓ，ｗｉｄｅ　ｍｕｌｔｉ—ｃｄｌ　ｂｅａｍ　收稿日期：２０１０—０１—１３　作者简介：李波（１９７８　），男，工程师，国家一级注册结构工程师，中联西北工程设计研究院，陕西西安７１００８２　７１００８２　李延￣（１９７９．），男，工程师，中联西北工程设计研究院，陕西西安