预应力混凝土脊骨梁剪力滞效应探析

摘要：近年来，随着我国经济水平的不断提高，推动了建筑业的发展，各类工程不断增多。预应力混凝土脊骨梁以其自身诸多优点，被广泛应用于各类桥梁工程的建设当中。然而，在实际应用过程中，经常会因剪滞力效应而影响脊骨梁结构的效果。基于此点，本文首先对预应力混凝土脊骨梁进行简介，并在此基础上对预应力混凝土脊骨梁剪力滞效应加以分析，期望能够对桥梁设计人员给予一定帮助。

关键词：预应力混凝土;脊骨梁;剪力滞效应

一、预应力混凝土脊骨梁简介

脊骨梁又被称之为翼结构，属于箱型结构的一种，常见形式为低矮厚腹大悬臂板。该结构形式主要是靠脊梁承载纵向弯矩，其中的悬臂板也就是我们常说的桥梁行车道板，其为传力结构，具体是将外部荷载传递至脊梁上。该结构分为两种形式，一种是上承式，另一种是下承式。在这一结构形式中，纵向一般为连续刚构体系或是多跨连续梁，横向则为现浇筑脊梁或现浇及拼装的组合形式。脊骨梁较之普通箱梁的横跨宽度要小很多，为降低因大悬臂受力带来的扭矩影响，其断面多为厚壁箱型或梯形。应用脊骨梁最早的国家是美国，较为典型的是旧金山机场附近的高架桥，我国对这一桥梁结构的研究较晚，上世纪90年代才开始投入研究，并在上海内环线的工程正式应用。脊骨梁具有以下优点：其一，施工便捷、施工速度快、对环境以及交通的影响较小;其二，建筑的整体高度较低，仅为悬臂板的实际厚度，由于建筑的实际高度较低，相应的降低了引桥长度以及路面标高，减少了工程总量;其三，防噪效果好，脊梁本身就是一个很好的防噪体系，对于降低噪音方面的效果十分明显;其四，采用该结构形式建成的桥梁建筑不仅外形美观，而且桥下的净空间相对于普通桥梁结构的空间要大很多，能够是桥底原有道路的作用得到有效发挥。脊骨梁作为一种比较特殊的桥梁结构形式，其与一般箱梁形式有所不同，它的结构特点是大悬臂板结合小箱梁。这种结构形式一般无需考虑约束扭矩的正应力，仅需考虑自由扭矩以及纵向弯矩即可，若建设过程中，箱梁的腹板达到一定的厚度，同时还增设了横隔板，则截面变形的畸变会比较小，但有一点需要特别注意，即纵向弯曲应力的剪力滞效应。由于脊骨梁的悬臂长度比较长，翼板作为梁的一部分，其将会参与到纵向弯曲当中。这就使得翼板的惯性矩与梁的总惯性矩的比值会相对较大，因实际跨度比较小，从而会增强剪力滞效应。就悬臂板而言，其主要功能是向脊梁传递荷载，在这一过程中，会产生横向弯曲，而且也会存在纵向剪滞力效应。所以在实际工程中，应对剪力滞效应予以重视。

二、预应力混凝土脊骨梁剪力滞效应分析

(一)剪力滞效应的研究方法

预应力脊骨梁剪力滞效应的研究方法种类较多，较为常见的有模型试验法、数值解法以及解析法等。其中由于解析法较为适合应用在形状比较规范，且边界条件简单的情况中，而实际工程一般都比较复杂，所以使用该法研究剪滞力效应有一定的局限性;模型试验法则是用于检验解析理论以及数值理论是否正确的基本依据，然而在实际工程中，由于梁的模型试验需要耗费大量的资源，加之影响因素较多，仅凭试验所得数据进行设计，准确性得不到保证。因此，研究预应力脊骨梁剪力滞效应最有效的方法应是有限元分析法。目前，有限分析法的应用软件较多，本文主要采用的是SNSYS软件进行建模分析。

(二)测点布设

1.横向剪力滞效应。通常情况下，桥梁设计之初，应对主梁的内力进行计算，具体做法是通过对典型截面进行计算来确定主梁内力，如跨中截面、支点截面、1/8及1/4截面等。首先，在截面上每隔1m设置一个测点，一般一个截面应选取13个测点。通过SNSYS软件计算出各测点的纵向应力大小。

2.纵向剪力滞效应。可将脊骨梁沿纵向剖开，并以中心线为中心，然后分别向两侧每隔1m剖一个截面。因结构处于均匀受力状态，因此，在分析时仅需对单侧截面计算即可得出横向应力值。

(三)确定加载方案

研究预应力脊骨梁的剪滞力效应主要是通过确定结构具体受力情况，为桥梁工程设计提供必要的理论依据。由于不同的桥梁工程，其主梁的受力状况也不相同，所以，应对不同的荷载形式进行分析。为了降低外界因素的干扰和简化模型，可采用对称加载的方法进行荷载研究。

(四)研究结果

通过有限元分析软件SNSYS进行研究分析，得出以下结论：其一，在任何形式的荷载作用下，预应力脊骨梁底部翼缘板的都存在较为强烈的剪滞力效应;其二，在线荷载、面荷载、以及重力作用下，脊骨梁的剪力滞系数较小，这说明均匀分布的荷载对脊骨梁剪力滞效应的影响比较微弱;其三，采用集中荷载时，荷载作用的主要受力点上剪力滞系数会突增，而远离集中荷载的部位，剪力滞效应较小;其四，离支座越近的截面剪力滞系数的变化幅度越大。从以上结论中不难看出，在整个预应力混凝土脊骨梁中，距离支点位置越近的截面，其剪滞力效应越明显。同时，在集中荷载作用下，跨中截面的剪力滞效应比较明显。此外，自重对剪力滞效应的影响最大，因此，在实际工程设计中，应对此点予以重视。为降低剪力滞效应对预应力混凝土脊骨梁结构的影响，应以均匀的方式将荷载作用于底板附近，尽量避免出现荷载过于集中的情况发生，在设计时，应将跨中截面以及支座作为主要控制截面进行设计。

参考文献：

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