单箱三室梁桥纵向正应力的横向分析摘要：文章运用了MIDAS FEA非线性有限元分析软件，建模中先忽略纵横向预应力、横坡等因素建立基本模型，得到一组应力数值，在基本模型上分别增加纵向预应力、横向预应力和横坡等因素，再查看数据的变化，从而得到各个因素对于空间应力的影响效应，另外建立同时考虑纵横向预应力的模型，以分析纵横向预应力的耦合作用。关键词：MIDAS FEA；单箱三室；横向预应力1 概述梁初等理论的基础是平截面变形假定，即纵向正应力在梁宽方向任意位置都相同。但实际中，在T 型、工字型和闭合薄壁截面中由于弯曲产生的横向力从腹板传到翼板后会出现翼板剪应力不均匀现象。特别对于单箱三室这样的宽箱梁，截面受力的空间效应更是显著。本文结合工程实例，选取最大悬臂状态，结合影响截面空间受力各个因素建立有限元模型，并进一步对比分析，得到一些初步结论和规律。2 有限元分析根据影响因素，本文建立5 个模型，分别是基本模型、仅考虑纵向预应力模型、仅考虑横坡模型(1.5%的双向横坡，底板保持水平)、仅考虑横隔板模型、仅考虑纵横向预应力模型。分析截面选取根部截面，基本模型的离散图见图1。2.1 顶板纵向正应力横向分布的单因素分析从MIDAS FEA 里分别导出顶板纵向正应力在各个因素影响下的横向分布，同时计算出剪力滞系数的最值见表1。通过分析图2 顶板纵向正应力横向分布曲线和各工况应力输出值，得到以下初步结果。横隔梁对顶板应力分布的影响：离设置横隔梁截面较远处2 个计算模型的纵向正应力横向变化趋势及范围大体相同的，即横隔梁对其影响较小；在横隔梁的断面两种计算模型的截面应力出现较大差异，特别是悬臂板的应力变化很大，且横隔梁的设置导致应力横向变化幅值加大，应力分布更加不均匀，应力差幅值达到了29MPa，其原因应该是刚度突变，横隔板处的刚度远大于悬臂板的刚度，即截面的发生突变。纵向预应力筋对顶板应力分布的影响： 纵向预应力筋使顶板受压，满足抗裂要求；纵向预应力加大顶板的剪力滞效应，由表1 可以看出考虑纵向预应力的应力差幅值达到了13.1MPa，大于基础模型的应力差幅值11MPa，考虑纵向预应力的最大剪力滞系数达到2.1 大于基础模型的1.65，最小为0.57 小于基础模型的0.61，图1 双悬臂基本模型离散图图2 固端截面顶板纵向正应力横向分布对比曲线图3 顶板正应力纵向分布图图4 固端截面顶板正应力横向分布比较这因为顶板预应力主要分布在腹板和腹板与翼缘板交接处及其附近。双向横坡对顶板应力分布的影响：在固端截面顶板，正应力从箱梁中心至翼缘板有明显的减小趋势，顶板中心应力比基础模型的应力值要大，内室顶板应力比外室顶板应力要大，这个趋势跟基本模型是相反的，说明坡度最高点存在受力集中现象。因此横坡对顶板的空间应力分布还是存在影响的，加大了应力分布的不均匀程度，影响了应力的横向变化趋势。2.2 横向预应力的设置对纵向正应力空间分布影响 通过传统的平面力学分析，得出的结论是纵向正应力仅与纵向预应力有关，横向预应力的设置对其没有影响，在分析剪力滞系数纵向分布，建立有限元模型时也忽略了横向预应力的影响。但是由于单箱三室的主梁空间受力横向变化比较复杂，纵横向预应力耦合带来的应力变化比较明显，因此本节通过分别建立未考虑横向预应力和考虑横向预应力的最大双悬臂状态有限元模型，并对比分析了两个模型同一截面处的应力计算结果，初步探究了纵横向预应力耦合效应对纵向正应力空间分布的影响。输出两个模型各个截面的顶板纵向正应力对比结果见图3。通过图3 的应力纵向变化对比曲线，可以看出纵向应力值并没有因为纵横向预应力的耦合效应而发生明显改变。为了进一步量化横向预应力对纵向应力的影响，绘制了悬臂固端截面的顶底板纵向正应力横向变化对比曲线（如图4 所示）。由图4 可知，箱梁顶板的应力横向分布曲线整体趋势并未因为纵横向预应力的耦合效应发生明显变化，但是在横向预应力的锚固点区域纵向正应力明显变大，这可能是因为横向预应力钢筋锚固端集中荷载的作用而产生了局部变形。因此，单箱三室宽箱梁连续梁桥的顶板纵向正应力分布呈现明显的空间效应，应力分布一定程度上也的确受到纵横向预应力耦合效应的影响。在实际的桥梁设计中，大部分采用的是梁单元杆系模型计算，并没有考虑横向预应力对纵向正应力的影响，这就要求设计工作者有丰富的经验在设计中要有意识的留有一定的设计富余度，以免由于空间效应造成的局部应力过大而引起结构破坏。3 结语纵向正应力的横向分布主要与横隔梁的设置、横坡及纵横向预应力的布置和大小有着密切的关系。横隔梁的存在导致的截面刚度突变，进而很大程度上影响了该截面和截面附近的应力分布，导致应力的大小和分布不均匀程度都有很大增长；横坡的设置主要引起梁中心线出现较明显的应力集中现象，应力大小由内而外表现递减的趋势；纵向预应力主要作用在腹板附近，导致腹板附近应力集中，增大了剪力滞效应；纵横向预应力筋的耦合效应对空间应力的分布存在一定影响，特别是锚固端的应力集中，这就要求在设计中要留有一定的设计富余度，以免由于空间效应造成的局部应力过大而引起结构破坏。 参考文献1 张士铎，邓小华，王文洲.箱形薄壁梁剪力滞效应M.北京：人民交通出版社，1997.2 郭金琼,等.箱形梁设计理论M.北京：人民交通出版社,1999.3 JTJD60- 2004，公路桥涵设计通用规范S，北京：人民交通出版社， 2004.4 程翔云.梁桥理论与计算（第一版）M.北京: 人民交通出版社，1990.