维普资讯 http://www.cqvip.com 第２ｌ卷 第４期 重 庆 交 通 学 院 学 报 ２００２年ｌ２月 Ｖｏ１．２ ｌ Ｎｏ．４ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＯＮＧＱＩＮＧ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｄｅｃ．，２００２ 分析桥梁结构剪力滞效应的新方法 靳欣华 ， 郑凯锋 ， 陈艾荣‘ （１．同济大学桥梁工程系，上海２０００９２；２．西南交通大学，四川成都６１００３Ｉ） 摘要：分析桥梁结构剪力滞效应的理论方法有许多不足之处．针对此不足．引入了用全桥结构仿真分析技术对剪 力滞效应进行分析的方法，并讨论了它的优点．作为例子．对不同工况下金马大桥主梁中的剪力滞效应进行了分 析；最后对理论方法和仿真分析方法的优缺点进行对比讨论．提出了进一步研究的建议；从而为桥梁结构四＝Ｉ］滞 效应分析提供了一条新途径、 关键词：剪力滞效应；全桥结构仿真分析；桥梁结构 中图分类号：Ｕ４４１．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１．７１６Ｘ（２ｏｏ２）ｏ４．ＯＯＯ４．０５ 在箱梁或Ｔ梁受弯时，在翼缘的纵向边缘上 上述理论方法应用一定的理论假设，建立理论 （在梁肋切开处）存在着板平面内的横向力和剪力 框架，能够对剪力滞效应的形成原因、影响因素、 流．翼缘在横向力及偏心的边缘剪力流作用下，将 效应大小等进行理论上的解释和计算．并且 便进 产生剪切扭转变形，其不可能再象梁肋一样服从平 行影响参数的讨论和分析，对于解决工程实际问题 截面假定，即梁截面的纵向应力沿横向不再是均匀 具有重要的理论意义．但用于工程实际中，这些理 分布的．剪切扭转变形随翼缘在平面内的形状与沿 论方法还存在着许多不足之处，主要表现在： 纵向边缘剪力流的分布有关．一般情况下，狭窄翼 １．从工程实际角度看，理论方法的推导和 缘的剪切扭转变形不大，其受力性能接近于简单梁 算都很复杂、繁琐． 理论的假定．但宽翼缘因剪切扭转变形的存在，使 ２．理论方法的共同特征是都建立在一定的假 远离梁肋的翼缘渐趋降低承弯功能，也即受压翼缘 设之上，假设的合理性需辅以一定的试验进行研 上的压应力随着离梁肋的距离增加而减小，此现象 究． 就称为“剪力滞后”，简称剪力滞效应．剪力滞效 应在桥梁结构中的影响是不容忽视的． ３．由于理论假设的独特性和对物理特性的取 舍，所以每种理论方法都有一定的工程局限性 １剪力滞效应的理论分析 ４．理论计算和分析基本局限于简单的梁截面 关于剪力滞效应的研究由来已久．在土木工程 及结构形式，对于较为复杂的截面和结构形式．其 中，只是近几十年来，箱形截面梁在桥梁结构中广 作用受到限制． 泛应用，剪力滞效应的影响愈益显著，引起国内外 ５．对荷载型式的考虑较为单一．如对收缩、 学者的广泛关注，提出了许多新的设想和不少新的 徐变 温度、预应力等的影响没有或较少考虑． 理论，并通过较多的模型试验直接用于工程实际问 题．综合起来有以下几种方法 １．。］： ２分析剪力滞效应的新方法 １．卡尔曼（Ｔ．Ｖ．Ｋａｒｍａｎ）理论； 针对上述理论分析方法的不足之处，引入全侨 ２．比拟杆法； 结构仿真分析技术对桥梁结构的剪力滞效应进行分 ３．能量变分法； 析，从而为剪力滞效应的分析开辟了一条新的途 ４．弹性理论解法． 径． ＊收稿日期：２００１．Ｉ１．１２；修订日期：２００２．Ｏ１．１８ 作者简介：靳欣华（１９７７一），男，河南唐河人，博１ 研究生，从事大跨桥梁结构性能研充 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 ２．１全桥结构仿真分析技术 靳欣华，等：分析桥梁结构剪力滞效应的新方法 等效模量Ｅ ：Ｅ ＋ ． ５ 全桥结构仿真分析方法是由郑凯锋 ’Ｊ教授首先 提出的桥梁计算分析方法，其技术核心是采用全桥 空间计算模型和运用组合有限单元进行计算，即摈 等效密度Ｄ ＝Ｄ ＋ ． 式中： ，Ｄ ——分别为钢筋砼的等效弹性 模量、等效密度；Ｅ 、Ｄ ——分别为砼的弹性模 量、密度；Ｅ 、Ｄ ——分别为钢筋的弹性模量、 弃多年来桥梁计算所采用的人为假设（如假设计算 体系或计算平面的划分与组合、假设构件平截面变 形、假设连接形式为铰接或刚接、假设计算模型的 边界条件等），并克服这些假设带来的不足，建立 完整、统一的整座桥梁的结构分析模型，该模型准 确模拟构件的空问位置、尺寸、材料特性、连接形 式、荷载作用、初始内力和初始变形，运用限制变 形一还原内力原理确定结构仿真分析的初始形态， 在此基础上进行大规模的全桥结构效应计算与分 密度； ——配筋率，小于２％时可以忽略． 全桥的各个部分配筋率各不相同，因此各个部 分就会有不同的等效模量和等效密度．利用等效处 理后的模量及密度更真实地模拟了钢筋砼材料的真 实情况． ２．２．４钢筋砼及预应力筋 仿真模型中，所有的钢筋砼材料都用８节点和 ６节点的实体三维单元进行模拟．材料特性包括弹 析，由此得到相对详尽、精确、可靠的分析结果． ２．２建立全桥模型 性模量、密度、泊桑比、温度膨胀系数，其中弹性 模量和密度采用等效模量和等效密度．钢筋砼的收 缩与温度影响力的模拟，把温度直接加于单元节点 上即可． 建立用于分析计算的有限元数学模型是全桥结 构仿真分析的重要步骤．模型建立的好坏直接关系 到分析的成败． ２．２．１建模原则 模型中的预应力筋采用杆单元进行模拟．力筋 的材料特性包括弹性模量、密度、截面积、泊桑 比、温度膨胀系数等．预应力筋中的预拉力用杆件 降温来模拟． ２．３全桥模型的计算与分析 在全桥结构仿真分析计算模型的建立过程中， 主要考虑以下几个方面的原则： １．结构形状（包括构件的长度、宽度、厚度 等）变化的要求； ２．材料特性（模量、容重、泊桑比、温度膨 胀系数等）变化的要求； ３．桥面恒载、汽车活载作用模拟的要求； ４．问题求解计算精度的要求； 依照以上建模方法，利用有限元程序ＡＬＧＯＲ 建立完整、统一的全桥仿真分析模型．然后依据此 模型，按照所有不同工况，采用ＳＳＡＰＯＨ计算模块 进行调试计算，并依据《桥规》规定，对该桥在各 种工况下、各部分的受力及变形特点进行分析研 ５．计算求解过程中为避免出现病态问题的要 求． ２．２．２收缩、徐变及温度影响 究，以期提出合理的分析结果或对施工有利的建 议． 《桥规》规定，对于分段浇注的砼或钢筋砼结 构的收缩影响力，相当于降温１０一ｌ５ ｃｌ＝，对应的 收缩终极值为１５×１０～一２０×１０～． 徐变在仿真分析中用调整龄期的有效弹性模量 法来考虑．有效弹性模量 ３ 实 例 现应用全桥结构仿真分析技术对金马大桥的主 梁剪力滞效应进行分析．位于广州一肇庆高速公路 上的金马大桥主桥为６０＋２８３＋２８３＋６０ｍ的斜拉与 Ｔ构组合体系桥梁（图１）． Ｔ构主梁采用双箱单室截面，斜拉桥采用边主 Ｅ （ｒ）＝Ｅ（ｆ）／［１＋ （ｔ，ｒ）・ （ｔ，ｒ）］ 式中：Ｅ （ｒ）——加载龄期ｒ时的弹性模量； （ｔ，ｒ）——老化系数； （ｔ，ｒ）——徐变系数． 在超静定结构中，温度的影响是不可忽视的． 一梁结构形式，中问连接段构造复杂，利用理论方法 计算此复杂结构的剪力滞效应将难以人手，因此采 用全桥结构仿真分析技术对其进行分析．模型建立 般按照设计要求的温差计入温度影响力． 在仿真分析中，把钢筋砼视为匀质材料，这就 的详细过程请参考文献［４］，模型对结构形状（包 括构件的长度、宽度 厚度等）、材料特性（模量、 密度、泊桑比、温度膨胀系数等）、恒活载（自重、 汽车活载、收缩徐变、温度、预应力等）等进行了 详细模拟．拟分析的荷载工况如表１所示． ２．２．３换算（等效）模量和密度 需要对其弹性模量和密度进行换算，也即进行等效 处理． 维普资讯 http://www.cqvip.com ６ 重庆交通学院学报 第２１卷 ＿．・一 ｆ Ｉ Ｉ 荔 。毒中’ｌ Ｉ Ｉ ｆｊ Ｉ ．Ｌ－ ｌ Ｉ Ｉ／／ｒＩｒ－｛ ！ Ｉ Ｉ一一ｒ ｆ ｌ 撞赞童装蓝西图 ！扭耋 豇叵圈 ．． 图ｌ 金马大桥桥跨布置及主梁断面 图３中示出了左Ｔ构主梁３个不同截面在３个不同 ３．１ 分析结果 工况下的应力折线图．表２、表３为应力比较结 在均匀荷载作用下，主梁截面正应力表现为不 果． 均匀性，显然即为剪力滞后效应的表现，在图２和 ■ ：ｄ ／ａ，其中ｄ…为最大纵向压应力．后同注：ｊ！ 列为结点的纵向压应力．单位～ＭＰａ； 一平均压应力； 一不均匀性系数，定义为 ． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 靳欣华，等：分析桥梁结构剪力滞效应的新方法 ７ Ｉ ＩＩＩ 【 ＬｕＪ … Ｊ Ｉ Ｉ ｝ｌ Ｊ Ｊ １｝ ｌ １ Ｊ Ｉ ｕｌｕ山 ２ 图２不同工况下左Ｔ构跨中截面应力折线示意 ．一 ． ｆ ｌ 业 根部 Ｊ — Ｊ ｌ Ｉ ， 端部 图３工况ｌ下左Ｔ构不同截面应力折线示意 对于理论方法的不足，如它不能从理论上解释剪力 ３．２ 结 论： 论 滞效应的成因，对于一些参数分析不是很方便，另 外模型复杂，需要较好的计算设备和软件等．因 此，理论方法和新方法结合应用对于工程实际更有 意义． 通过以上的计算比较，可以得出以下几点结 １．从表２可以看出，左Ｔ构主梁截面纵向应 力从根部到端部，其不均匀性系数逐渐变大，也即 剪力滞效应逐渐明显，说明剪滞效应和截面位置有 关． ５讨论与建议 剪力滞效应在桥梁结构中的影响不容忽视，特 别是近年来宽翼缘箱梁的应用相当广泛，已经成为 ２．从表３可以看出，随着应力值的增大，左Ｔ 构跨中截面剪力滞效应逐渐减小，说明剪滞效应也 与应力大小有关．同时看出降温导致剪滞效应增 大，但幅值在３％以下． ３．从图３可以看出左Ｔ构跨中及端部截面的 底面产生负剪力滞效应，这与截面的受力状态有 关． 影响设计的重要因素．而规范中对此的规定也过于 简单，笼统地用“翼缘有效分布宽度”的方法处 理，因此有必要对剪力滞效应进行进一步的研究． 理论分析可以从理论上对剪力滞效应进行定性 的解释，并方便对影响剪力滞效应的因素进行参数 分析，如宽跨比、截面宽高比、截面变化及荷载型 式等对剪力滞效应的影响．仿真分析可以利用这些 影响因素，建立不同的模型进行分析对比，如可以 建立更复杂的截面形式、更复杂的荷载型式，可以 对施工、运营等各个阶段进行多方他的分析．可以 ４新方法分析剪力滞效应的优点 基于全桥结构仿真分析技术的特点，根据对金 马大桥的实例分析结果，运用其分析桥梁结构的剪 力滞效应具有以下特点： １．模型精确地模拟了结构行为，故其没有理 论计算那样的假设，较为真实地模拟了实际情况． 起到代替或部分代替试验的作用． 算例是结合金马大桥全桥仿真分析研究课题进 行，有其工程实践意义．从算例的分析可知，全桥 结构仿真分析方法对桥梁结构的剪力滞效应的分析 还是行之有效的． ２．其可以代替或部分地代替剪力滞效应的试 验研究，从而节约了成本． ３．对于任何复杂截面和复杂结构形式的桥梁 都可以进行剪力滞效应的分析． 鉴于目前桥梁规范对剪力滞效应的规定过于粗 糙，因此，笔者建议利用仿真分析方法结合理论分 析，对影响桥梁结构剪力滞效应的各种参数进行进 一４．可以考虑更为复杂的荷载组合形式，包括 恒载、活载和其它可变荷载的各种组合． ５．没有复杂、繁琐的推导和计算，分析结果 步的分析研究，提出各种荷载下，不同截面形 式、不同宽跨比、不同支承形式及不同截面加劲情 况等等的有效宽度比，为规范的制定提ｆｌｆ，、：可靠的参 考依据． 。 直观、详尽、可靠． 虽然上面列出了新方法的许多优点，但也有相 维普资讯 http://www.cqvip.com 重庆交通学院学报 第２１卷 参考文献： ［３］ 郑凯锋，唐继舜，王秀伟．全桥结构仿真分析技术 ［１ 张士锋．邓小华，王文州．箱形薄壁梁剪力滞效应 的最新进展［Ａ］．第十三届全国桥梁学术会议［Ｃ］． ［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９８．４—９． 上海：１９９８，３７３—３７８． ［２］ 王文涛．刚构一连续组合梁桥［Ｍ］．北京：人民交 ［４］ 靳欣华．斜拉与Ｔ构组合体系桥梁全桥结构仿真分 通出版社，１９９７，２０３—２１１． 析研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０００． Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｌａｇ ｉｎ ｂｒｉｄｇｅ ＪＩＮ Ｘｉｎ—ｈｕａ ， ＺＨＥＮＧ Ｋａｉ—ｆｅｎｇ ， ＣＨＥＮ Ａｉ ｒｏｎｇ （１．Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ．Ｔ，ｍｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｌｙ．Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２．Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｌａｇ ｉｎ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｈａｓ ｓｏｍｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｔｒｕｅｔｒｒａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｎｔｉｒｅ ｂｒｉｄｇｅ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｌａｙｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｔ ａｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｃａｓｅｓ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｌａｇ ｉｎ Ｊｉｎｍａ Ｂｒｉｄｇｅ Ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｒｅｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｌａｇ ｉｎ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｌｇａ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｎｔｉｒｅ ｂｒｉｄｇｅ；ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ 责任编辑：袁本奎