刚度退化对箱梁拉应力及挠度的影响孙鹏

孙鹏

摘要：本文分析了箱梁刚度退化对其拉应力和挠度的影响，依托工程实例，建立有限元模型，对刚度退化规律进行模拟分析，得出刚度退化会使箱梁截面拉应力增加，且退化程度越大箱梁截面拉应力增加的程度越大；箱梁刚度退还会引起跨中挠度的增加，且对边跨及中跨挠度的影响规律基本相同，退化程度越大，挠度增加越快。

关键词：刚度退化、裂缝控制、挠度

1.桥梁概括

沱江特大桥位于内江市白马镇甘家渡，在左岸甘家渡附近跨越沱江，桥址区有公路通过，交通条件便利。桥梁中心里程桩号为K9+914.000，起讫桩号K9+633.960～K10+194.040，桥梁跨径布置为3×30m+4×30m预应力混凝土T梁+（90m+160m+90m）连续刚构，桥梁全长558m，桥宽28m，桥梁面积15624m2。主桥上部结构采用三向预应力混凝土连续刚构，主墩采用双薄壁墩，基础采用钻孔灌注桩基础。主桥采用分幅设计，主梁为单箱单室、三向预应力混凝土箱型断面。箱梁根部高11m，跨中及边跨直线段梁高3.5m，梁高按1.5次抛物线变化。主墩采用双薄壁墩。

2.裂缝对箱梁刚度影响

在长期荷载作用下结构裂缝不断发展，箱梁截面应力状态亦将随之重新分布。由于裂缝的形成过程较复杂，影响因素多，之间研究其对箱梁力学性能影响较困难。根据材料力学等相关理论，不难得知因箱梁裂缝发展所致截面应力重分布、挠度增大等现象均与箱梁刚度密切相关，因此为了简化分析，以箱梁刚度变化为过渡间接分析裂缝发展对箱梁力学性能的影响。由于箱梁开裂后有效截面会减小，对应的截面形心亦会发生较大变化，这样就导致了截面惯性矩发生变化。因此这里将处于开裂状态的箱梁有效截面惯性矩按照如下公式进行计算：

3.有效刚度降低对箱梁截面拉应力影响

箱梁的刚度主要受截面几何特性、材料弹性模量及梁端支承状态三个方面的影响，其中截面的几何特性与材料弹性模量对箱梁刚度的影响程度及规律相同，同时考虑到有限元模拟计算的方便，本文将通过局部材料弹性模量的折减来实现刚度变化的模拟。以本文研究的桥梁模型为依托，根据相关分析结果，分别对刚度下降0、5%、10%、15%、20%、25%进行模拟分析，研究不同刚度水平下箱梁拉应力变化规律。由于该桥沿纵向对称布置，故选着一半作为研究对象，并沿桥长方向共布置46个点位，其中1#、12#、26#、46#分别为边跨桥墩、边跨跨中、中跨桥墩、中跨跨中位置。

图1.刚度退化对箱梁拉应力影响

图1.可以看出，随着刚度退化截面的应力变化趋势基本一致，随着刚度退化程度不断加大，箱梁截面拉应力均呈现出增大趋势，基本成正相关比例；对比分析各点的影响程度，刚度退化对跨中截面拉应力影响更为明显，同时对中跨拉应力影响程度大于边跨，中跨跨中影响程度最大。

4.有效刚度降低对箱梁挠度影响

根据箱梁挠度影响因素可以知道，有效刚度的降低时是长期荷载作用下箱梁挠度变化的主要因素，因此同样依托本文的工程实例，对边跨及中跨选定点位的挠度进行研究，同样以上一节中采用的刚度退化规律进行模拟分析，得到的如下图3.2所示的研究成果。

图2.刚度退化对箱梁挠度影响

图3.不同刚度退化程度下箱梁挠度增长百分比

图2.可以看出，随着箱梁刚度的退化箱梁的挠度均有所增加，且跨中挠度增加幅值更明显；图3.可以看出刚度退还程度相同时，箱梁无论是边跨跨中还是中跨跨中挠度增长百分比基本相同，曲线趋于水平。

综上所述，合理控制箱梁刚度退化对箱梁拉应力及挠度有显著效果，由此可以推断得出在设计阶段进行合理的裂缝控制具有重要的现实意义。

参考文献：

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