王兆南 ,張?jiān)?/p>
(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)
單箱雙室箱梁在城市橋梁和公路橋梁中應(yīng)用廣泛. 采用該截面形式橋梁的箱體和橋面寬度較大,在豎向荷載作用有偏心時(shí),其畸變效應(yīng)不同于單箱單室箱梁. 箱梁的畸變效應(yīng)研究文獻(xiàn)較多,一般采用能量變分法或板元分析法都可得到一個(gè)四階控制微分方程,方程未知量為畸變角或箱梁梁肋撓度w,都能很好地揭示單箱單室箱梁的畸變效應(yīng).
張?jiān)5萚1]采用能量變分原理對(duì)單箱單室箱梁的畸變效應(yīng)進(jìn)行了研究,分析了雙層懸臂板對(duì)畸變的影響;徐勛等[2-3]采用廣義坐標(biāo)法研究了單箱單室箱梁的畸變;王兆南等[4]采用板元分析法研究了單箱單室箱梁的畸變效應(yīng);Pezeshky 等[5]研究了寬翼緣鋼梁的畸變. 單箱單室簡(jiǎn)支直線箱梁畸變的研究文獻(xiàn)較多,成果較多. 曲線箱梁因扭轉(zhuǎn)、彎曲和畸變相互耦合,畸變研究較為復(fù)雜[6-8]. 畸變的試驗(yàn)研究可對(duì)畸變理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證:劉保東等[9]對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的扭轉(zhuǎn)和畸變進(jìn)行了試驗(yàn)研究;狄瑾等[10]對(duì)波形鋼腹板組合箱梁的扭轉(zhuǎn)和畸變進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了扭轉(zhuǎn)、畸變和彎曲正應(yīng)力的占比. 波形鋼腹板組合箱梁由于結(jié)構(gòu)自重輕,適合大跨度橋梁的設(shè)計(jì),其畸變也比混凝土箱梁明顯[11],畸變研究也較深入. Li 等[12-14]研究了變截面箱梁的畸變,不同于求解常截面箱梁畸變控制微分方程常采用的初參解法,而采用紐馬克法求解變截面箱梁的畸變控制微分方程. 雙室箱梁橋的畸變不同于單室箱梁橋,藺鵬臻等[15]研究了單箱雙室箱梁對(duì)稱彎曲時(shí)的局部扭轉(zhuǎn)效應(yīng);Chidolue 等[16]研究了多室箱梁的扭轉(zhuǎn)和畸變,多數(shù)文獻(xiàn)在研究雙室箱梁的畸變效應(yīng)時(shí),只考慮反對(duì)稱畸變,而忽略了正對(duì)稱畸變.
單箱雙室箱梁相比單箱單室箱梁增加了一道腹板,這使得在偏心豎向荷載作用下,箱梁畸變不僅有反對(duì)稱畸變,還存在正對(duì)稱畸變. 若忽略正對(duì)稱畸變,在理論上將不完善,計(jì)算結(jié)果誤差也較大,且雙室箱梁在得出畸變翹曲慣性矩,框架橫向抗彎慣性矩時(shí)也不同于單箱單室箱梁. 由于有兩種畸變模式,因此無法采用一個(gè)微分方程來描述畸變效應(yīng),需采用兩個(gè)未知量,對(duì)應(yīng)兩個(gè)微分方程才能完整描述單箱雙室箱梁的畸變效應(yīng). 本文從單箱雙室箱梁的畸變荷載分析出發(fā),以箱梁的畸變角γd為未知量,定義正、反對(duì)稱畸變對(duì)應(yīng)的畸變角,建立正、反對(duì)稱畸變的四階控制微分方程,以揭示單箱雙室箱梁的畸變效應(yīng),為單箱雙室箱梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考.
在薄壁箱梁畸變基本理論假定[1]的基礎(chǔ)上,結(jié)合單箱雙室箱梁在偏心荷載作用下的位移變形和實(shí)際設(shè)計(jì)需考慮的因素等,補(bǔ)充矩形截面單箱雙室箱梁畸變分析的假定:?jiǎn)蜗潆p室箱梁的邊腹板厚度相同,箱梁橫向變形時(shí)角點(diǎn)的轉(zhuǎn)角位移可忽略.
單箱雙室箱梁一般都會(huì)存在一個(gè)對(duì)稱軸y,箱梁截面尺寸如圖1 所示. 圖1 中:d、a1、a2分別為懸臂板、腹板、頂板(底板)的寬度;t1、t2、t3、t4、th分別為腹板AD、底板、腹板BC、頂板、腹板KF的厚度;e為荷載偏心距;P為單箱雙室箱梁頂板上線性分布的偏心豎向荷載 . 采用右手坐標(biāo)系,O為原點(diǎn). 箱梁截面各角點(diǎn)分別采用A、B、C、D、K、F表示.
圖1 單箱雙室箱梁截面形式Fig. 1 Cross section of single box double-cell box girder
如圖1 所示,沿梁縱向取單位長(zhǎng)框架后,P可等效成一力矩Pe和一作用于K點(diǎn)的豎向力P. 力矩可分解出使箱梁發(fā)生反對(duì)稱畸變的荷載Pe/a2,豎向力P可分解出使箱梁發(fā)生正對(duì)稱畸變的荷載P/3 和2P/3,如圖2 所示. 畸變正應(yīng)力可對(duì)應(yīng)疊加,繼續(xù)分解的畸變荷載如式(1)所示.
圖2 正對(duì)稱和反對(duì)稱畸變荷載Fig. 2 Positive-symmetrical and antisymmetrical distortion load
式中:P41、P42、P12、P22、P21、P11、P31和P32為反對(duì)稱畸變荷載;R41、R42、R12、R22、R21、R11、R31和R32為正對(duì)稱畸變荷載.
采用板元分析法研究單箱雙室箱梁的反對(duì)稱畸變,可得出箱梁的畸變翹曲剛度、框架橫向抗彎剛度和畸變荷載之間的關(guān)系. 箱梁發(fā)生反對(duì)稱畸變時(shí),σdA和σdD為箱梁角點(diǎn)A、D的畸變正應(yīng)力,令β1=σdA/σdD,畸變正應(yīng)力在各板件上的分布如圖2 所示.β1可由各板件上的畸變正應(yīng)力合成的對(duì)坐標(biāo)軸力矩之和為0 的條件求得.
沿梁縱向取一微段,離散各板件,如圖3 所示.圖中:qxB、qxA、qxK為箱梁腹板對(duì)頂板的橫向約束反力;Todz為微段上腹板對(duì)頂板的縱向約束反力;Qo、Mo分別為頂板上產(chǎn)生的面內(nèi)剪力和力矩;qxC、qxD、qxF為腹板對(duì)底板的橫向約束反力;Tudz為腹板對(duì)底板的縱向約束反力;Qu、Mu分別為底板上產(chǎn)生的面內(nèi)剪力和力矩;qyA、qyD分別為箱梁頂板和底板對(duì)左腹板的橫向約束反力;Qc、Mc分別為左腹板面內(nèi)剪力和力矩.
圖3 箱梁各板件的面內(nèi)受力Fig. 3 In-plane force of box girder plates
由頂板、底板和腹板的面內(nèi)力矩平衡,頂板和底板面內(nèi)沿x軸,腹板面內(nèi)沿y軸方向列取力系平衡方程. 考慮到各板件之間在畸變荷載作用下維持力系平衡狀態(tài),略去高階微量后得出:
式中:qx1=qxA+qxB+qxK,qxK作用在板件AB的跨中,方向和qxA相同;qx2=qxC+qxD+qxF,qxF作用在板件CD的跨中,方向和qxC相同;qy=qyA+qyD.
箱梁在反對(duì)稱畸變時(shí)各角點(diǎn)的位移如圖4 所示,圖中:ΔHA、ΔHB、ΔHC、ΔHD為對(duì)應(yīng)各角點(diǎn)水平位移;ΔVA、ΔVB、ΔVC、ΔVD為對(duì)應(yīng)各角點(diǎn)豎向位移;α1、α2、α3為對(duì)應(yīng)各板件畸變后的角度改變.
圖4 箱梁各角點(diǎn)的位移Fig. 4 Corner displacements of box girder
定義單箱雙室箱梁反對(duì)稱畸變的畸變角γd1為
各板件上的力矩Mo、Mu、Mc之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]. 對(duì)γd1關(guān)于z軸求二次微分后,考慮到箱梁各角點(diǎn)位移和面內(nèi)力矩的關(guān)系[1],得到
式中:E為材料彈性模量;J1為腹板AD(腹板BC)的面內(nèi)慣性矩.
對(duì)式(4)再求二次微分后,可將式(2)化簡(jiǎn)為
式中:Jn=tn/12 (n=1,2),J4=t4(a2+ 2d)3/12,J2、J4分別為底板、頂板的面內(nèi)慣性矩.
采用箱梁各板件的面外力系分析化簡(jiǎn)式(5)中的a1(qx1+qx2)/(2a2)+qy項(xiàng). 在分析過程中考慮箱梁腹板KF對(duì)框架橫向抗彎慣性矩的貢獻(xiàn),單箱雙室箱梁在反對(duì)稱荷載作用下發(fā)生畸變后,離散箱梁各板件,各板件的面外受力如圖5 所示,圖中變量mAK、mAD等為各板件板端的畸變橫向彎矩.
圖5 反對(duì)稱畸變時(shí)各板件的面外受力Fig. 5 Out-of-plane force with antisymmetrical distortion
反對(duì)稱畸變時(shí),取出板件AK和DF分析面外受力可得:qyAa2=2(mAK+mKA) ,qyDa2=2(mDF+mFD) .取出板件AD和BC分析面外受力可得:qxAa1=mAD+mDA,qxBa1=mBC+mCB,qxA=qxD,qxB=qxC. 取出板件KF分析面外受力可得:qxKa1=mKF+mFK-mKAmKB-mFC-mFD.
板件KB和FC的面外力系分析和板件AK等相同. 為得出各板件的板端畸變橫向彎矩和板端位移的關(guān)系,可采用力矩分配法進(jìn)行分析,見式(6).
式中:i1、i2、i4、ih分別為箱梁邊腹板、底板、頂板和中腹板的線剛度;I1、I2、I4、Ih分別為箱梁邊腹板、底板、頂板和中腹板的面外慣性矩;ΔV、Δh分別為板件板端豎向位移和水平位移.
在a1(qx1+qx2)/(2a2)+qy中代入qx1、qx2、qy的表達(dá)式,結(jié)合式(6),考慮到式(3)中有ΔV=ΔVA=ΔVD,Δh=ΔHD=ΔHA,得到
根據(jù)以上分析可將式(5)化簡(jiǎn)為單箱雙室箱梁在偏心豎向荷載作用下,以反對(duì)稱畸變角γd1為未知量的四階畸變控制微分方程,如式(8).
式中:Iωd1為單箱雙室箱梁反對(duì)稱畸變的翹曲慣性矩,單位m6,如式(9);IR1為單箱雙室箱梁反對(duì)稱畸變的橫向抗彎慣性矩,單位m2,如式(10).
如圖2 所示,單箱雙室箱梁在正對(duì)稱畸變荷載作用下,產(chǎn)生正對(duì)稱畸變翹曲變形. 按假定,畸變正應(yīng)力在各板件上呈線性分布,關(guān)于y軸正對(duì)稱. 考慮到變形亦呈正對(duì)稱,頂板和底板有豎向位移,而水平位移很小幾乎可以忽略,因此可采用一半結(jié)構(gòu)AKFD進(jìn)行分析,如圖6 所示,圖中:h為箱梁高度. 考慮結(jié)構(gòu)AKFD各角點(diǎn)角位移不相等的情況,當(dāng)箱梁各板件厚度各不相等時(shí),現(xiàn)有單箱單室箱梁畸變微分方程將不再適用,因按照假定和分析過程,其都建立在箱梁截面至少關(guān)于一個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)稱的基礎(chǔ)上.
圖6 箱梁正對(duì)稱畸變扇性坐標(biāo)ωdFig. 6 Positive-symmetrical distortion sector coordinates ωd
采用一個(gè)參數(shù)β1描述畸變正應(yīng)力在各板件上分布的模式不再滿足箱梁各板件厚度都不同的情形. 現(xiàn)采用兩個(gè)參數(shù)β1和β2分別描述畸變正應(yīng)力在腹板、頂板(底板)上的分布. 對(duì)各板件厚度都不同的箱梁結(jié)構(gòu),令β2=σdA/σdK(σdK為箱梁角點(diǎn)K的畸變正應(yīng)力),認(rèn)為由畸變正應(yīng)力引起的面內(nèi)力矩分布在頂、底板上的反彎點(diǎn)位置相同,但不再二等分. 在求出β1和β2后,可確定各板件厚度都不同的箱梁的畸變翹曲位移模式.
β1和β2可由各板件面內(nèi)畸變正應(yīng)力對(duì)x、y軸形成的力矩之和為0 的條件,且聯(lián)立式(11)、(12)求得.
結(jié)構(gòu)AKFD在正對(duì)稱畸變荷載作用下發(fā)生如圖7 所示的變形. 在圖7 中:設(shè)定桿件AK和DF桿端的彎矩、轉(zhuǎn)角以逆時(shí)針為正;桿件AK和DF皆沿y軸有相同的豎向位移;MAK、MKA分別為AK桿件桿端A、K的橫向彎矩;γd2=ΔV/a,為單箱雙室發(fā)生正對(duì)稱畸變時(shí)的畸變角.
圖7 結(jié)構(gòu)AKFD 的變形和橫向彎矩Fig. 7 Deformation and transverse bending moment of structure AKFD
根據(jù)分析,可忽略桿件AD和KF水平x向位移,采用桿件的轉(zhuǎn)角位移公式,可用畸變角γd2將角點(diǎn)D的畸變橫向彎矩表示出來,有MDF=IDγd2. 同理可得其他板件的板端彎矩:MKA=IKγd2、MAK=IAγd2、MFD=IFγd2.ID、IK、IA和IF見式(14),同時(shí)可方便地確定結(jié)構(gòu)的橫向彎曲應(yīng)變能.
沿梁軸z向取單位長(zhǎng)框架,可得箱梁各板件的橫向彎曲應(yīng)變能之和,如式(15)所示. 也可寫為,IR2為箱室各板件厚度均不相等時(shí)的框架橫向抗彎慣性矩,如式(16).
通過以上分析可得,單箱雙室箱梁發(fā)生正對(duì)稱畸變時(shí),取一半結(jié)構(gòu)得出的畸變微分方程如式(17).IR2單位為m2,Iωd2單位為m6.
采用畸變角γd1、γd2分別描述箱梁的反對(duì)稱和正對(duì)稱畸變,得出兩個(gè)畸變微分方程,方程可采用初參數(shù)法或彈性地基梁比擬法進(jìn)行求解[1,4].
在等高度矩形截面簡(jiǎn)支箱梁上設(shè)置端橫隔板,計(jì)算跨徑L=80 m,截面如圖8 所示.E=35 GPa,泊松比μ=0. 在箱梁頂板上作用偏心豎向分布力矩1 kN · m/m,箱梁截面關(guān)于y軸對(duì)稱. 采用本文單箱雙室箱梁畸變理論進(jìn)行計(jì)算分析,同時(shí)去掉中腹板按照單箱單室箱梁計(jì)算對(duì)比,得到的各畸變數(shù)值見表1,表中:Bd為畸變雙力矩;ωdA、ωdD為角點(diǎn)A、D的畸變扇性坐標(biāo).Bd、γd的值為彈性地基梁比擬法中單位荷載作用下的計(jì)算值,σd為實(shí)際荷載作用下的值.
表1 箱梁反對(duì)稱畸變計(jì)算值Tab. 1 Antisymmetrical distortional values
圖8 箱梁截面尺寸(單位:cm)Fig. 8 Box girder cross section (unit: cm)
單箱單室箱梁增加一道腹板成為單箱雙室箱梁后,σdA由0.521 3 kPa 變?yōu)?.209 4 kPa,應(yīng)力減小率為:(0.521 3-0.209 4)/ 0.521 3 × 100%=59.83%,σdD的減小率也為59.83%. 因單室和雙室箱梁反對(duì)稱畸變的假定相同,角點(diǎn)應(yīng)力比β1數(shù)值不變,各角點(diǎn)的畸變扇性坐標(biāo)數(shù)值不變. 由于中腹板增強(qiáng)了截面的橫向抗彎剛度,箱梁的框架橫向抗彎慣性矩從單室的0.004 0 增大到雙室的0.009 6.
算例箱梁正對(duì)稱畸變計(jì)算值如表2 所列. 單箱雙室箱梁角點(diǎn)A的正對(duì)稱畸變正應(yīng)力為反對(duì)稱畸變值的28.08%,角點(diǎn)D為26.76%. 若取的一半結(jié)構(gòu)按照傳統(tǒng)的單箱單室箱梁畸變方法計(jì)算角點(diǎn)畸變正應(yīng)力,角點(diǎn)D的值為單箱雙室箱梁反對(duì)稱畸變值的1.97 倍,為按照本文正對(duì)稱畸變計(jì)算值的7.37 倍.
表2 箱梁正對(duì)稱畸變計(jì)算值Tab. 2 Positive-symmetrical distortional values
最終單箱雙室箱梁角點(diǎn)A、D的畸變正應(yīng)力為箱梁正、反對(duì)稱畸變計(jì)算結(jié)果的疊加,如表3. 并與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,有限元計(jì)算采用Shell-63 單元建模分析. 從角點(diǎn)A、D的畸變正應(yīng)力誤差來看,本文方法解析解和有限元解最大誤差的絕對(duì)值不超過8.71%,角點(diǎn)A的畸變正應(yīng)力誤差僅為1.73%,有限元解和解析解吻合良好.
本文方法得到的雙室箱梁和按單箱單室箱梁計(jì)算的角點(diǎn)A、D的應(yīng)力值如表3 和表1 所示. 考慮箱梁的正對(duì)稱畸變后,箱梁由單箱單室變成單箱雙室時(shí),角點(diǎn)A畸變正應(yīng)力的減小率由59.83%變?yōu)?8.52%,角點(diǎn)D畸變正應(yīng)力的減小率由59.83%變?yōu)?9.09%,如忽略正對(duì)稱畸變的影響,畸變效應(yīng)和有限元結(jié)果的誤差將會(huì)增大. 雙室箱梁的畸變正應(yīng)力比單室箱梁的要小. 當(dāng)箱梁橫向?qū)挾容^大時(shí),增設(shè)中腹板可有效減小箱梁的畸變效應(yīng).
表3 箱梁角點(diǎn)畸變正應(yīng)力Tab. 3 Corner distortion normal stress of box girder
為更好地比較兩種截面形式箱梁的畸變效應(yīng)差別. 單箱單室和單箱雙室簡(jiǎn)支箱梁跨中截面的畸變角、角點(diǎn)畸變正應(yīng)力的對(duì)比如圖9、10 所示. 由圖9可知:?jiǎn)蜗潆p室箱梁的反對(duì)稱畸變角沿梁長(zhǎng)的分布在畸變角數(shù)值的絕對(duì)值上小于單箱單室箱梁;中腹板對(duì)箱梁畸變的削弱非常明顯,跨中截面畸變角迅速變??;在梁端一定區(qū)域內(nèi),雙室箱梁的畸變角變化比單室的平穩(wěn),雙室箱梁在此區(qū)域的反向變形小于單室箱梁,畸變角較早地衰減趨向于0,偏心豎向荷載引起的畸變較單箱單室箱梁的小,較好地反映了增加的箱室腹板對(duì)畸變的限制作用,與增加梁跨內(nèi)橫隔板效果相同.
圖9 畸變角沿梁長(zhǎng)變化Fig. 9 Distortional angle changes of box girder
由圖10 可知:對(duì)箱梁畸變正應(yīng)力沿梁長(zhǎng)的分布進(jìn)行分析,單室箱梁和雙室箱梁角點(diǎn)A的畸變正應(yīng)力沿梁長(zhǎng)的分布有著明顯的區(qū)別;雙室箱梁角點(diǎn)A畸變正應(yīng)力在數(shù)值的絕對(duì)值上明顯小于單室箱梁,在跨中截面有最大值;雙室箱梁角點(diǎn)A的畸變正應(yīng)力向梁端衰減很快,而單室箱梁則衰減較慢. 從以上分析可以看出,雙室箱梁畸變角、畸變正應(yīng)力計(jì)算值都小于單室箱梁,中腹板對(duì)箱梁畸變的限制是非常明顯的.
圖10 角點(diǎn)A 畸變正應(yīng)力沿梁長(zhǎng)變化Fig. 10 Changes of distortional normal stress of point A
取中腹板厚度為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 m,其他條件皆不變,分析箱梁跨中截面反對(duì)稱畸變角隨中腹板厚度變化的規(guī)律. 中腹板厚度變化時(shí),雙室箱梁反對(duì)稱畸變的畸變角沿梁長(zhǎng)的變化情況如圖11 所示. 選取中腹板厚度為0.10、0.30、0.50 m 的數(shù)據(jù)列出,0.10 m 厚的板為薄板,0.30 m厚的板為薄板和厚板的界限,0.50 m 厚的板為厚板.
圖11 中腹板厚度對(duì)箱梁畸變角的影響Fig. 11 Influence of mid-web thickness on distortional angle of box girder
從圖11 可以看出:不同中腹板厚度的雙室箱梁反對(duì)稱畸變角沿梁長(zhǎng)的變化趨勢(shì)在箱梁跨中截面區(qū)域內(nèi)基本相同,在箱梁梁端附近變化趨勢(shì)有所不同;隨著中腹板厚度的增加,在梁端附近,畸變角的變化逐漸平穩(wěn),雙室箱梁在梁端附近畸變翹曲的程度較小;中腹板厚度為0.10 m 的雙室箱梁畸變角在梁端附近的反向變形比0.50 m 板厚的要突出,薄壁箱梁的畸變翹曲程度比厚壁的要明顯;隨著板厚的增加,雙室箱梁的畸變逐漸減小,僅在跨中一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)畸變較為明顯,梁兩端逐漸減弱,梁端變形程度較小的區(qū)域逐漸向跨內(nèi)延伸;0.50 m 板厚的雙室箱梁梁端畸變較小的區(qū)域較0.10 m 板厚的區(qū)域要長(zhǎng).
1) 在偏心豎向荷載作用下,單箱雙室箱梁不僅存在反對(duì)稱畸變,還存在正對(duì)稱畸變. 正對(duì)稱畸變正應(yīng)力較小,本文算例中,最大只占到反對(duì)稱畸變正應(yīng)力的28.08%.
2) 考慮了正對(duì)稱畸變效應(yīng)后,雙室箱梁的畸變分析在理論上將更加完善. 通過數(shù)值計(jì)算顯示,畸變正應(yīng)力解析解和有限元解的誤差減小,誤差絕對(duì)值最大為8.71%,相互吻合更好.
3) 當(dāng)箱體較寬的單箱單室箱梁增設(shè)中間腹板成為單箱雙室箱梁后,箱梁角點(diǎn)處的畸變正應(yīng)力可減少到單室箱梁的49.09%. 為減小寬箱梁在偏心豎向荷載作用下的畸變,設(shè)置中腹板效果明顯.
4) 單箱雙室簡(jiǎn)支箱梁的畸變比單箱單室簡(jiǎn)支箱梁的要小,變形主要在跨中一定的區(qū)域內(nèi),梁端附近的區(qū)域反向變形不如單箱單室的明顯. 中腹板厚度的變化可使雙室箱梁的畸變發(fā)生較明顯的改變,厚度較小時(shí)畸變較為明顯,厚度增大時(shí)畸變逐漸減弱.
5) 采用兩個(gè)參數(shù)β1、β2描述正對(duì)稱畸變時(shí),單箱雙室箱梁各板件上的畸變正應(yīng)力分布比一個(gè)參數(shù)的合理. 采用一個(gè)參數(shù)的箱梁畸變理論計(jì)算的正對(duì)稱畸變效應(yīng),箱梁角點(diǎn)畸變正應(yīng)力最大可為本文方法的7.37 倍.