采用两种有限元分析软件ANSYS和MIDAS/FEA同时建立计算跨径为30 m的简支梁和15 m的悬臂梁的1/4空间模型,如图2所示.
图2 有限元模型
Fig.2 Finite element model
模型梁为单箱单室波形钢腹板箱梁,梁高3 m,顶板宽5.5 m,悬臂长1.25 m,底板宽3.5 m.顶底板板厚0.4 m.端部设厚度为0.9 m的端隔板.波形钢腹板厚为10 mm,波长0.9 m,直幅宽0.25 m,斜幅宽0.2 m,波高0.12 m.混凝土强度C55,弹模为3.5×104 MPa,泊松比为0.2,采用带中间节点的高次实体单元模拟.钢腹板材质为Q345c优质低碳钢,弹模2.06×102 GPa,泊松比0.3,选用shell63板单元建模,并与混凝土顶底板及端隔板共节点.在对称面施加对称约束,简支梁的支座位置采用面上铰约束,悬臂梁的固定端约束全部自由度.暂不计入预应力单元的影响.由于混凝土顶底板在钢混共节点区域刚度不均匀,受力复杂,恰好又是最大剪力滞系数的敏感位置,网格务需精细、中正,竖向至少4层单元.模型采用柔度较好的20个节点单元solid95,共计41 752个单元和198 917个节点.
表2给出了集中荷载20 kN下简支梁和悬臂梁典型截面剪力滞系数.
表2 集中荷载20 kN下典型截面剪力滞系数
Tab.2 Shear lag coefficient of typical section under concentrated load of 20 kN
从表2可以看出,当引入的曲线从2次增加至20次,简支梁的最大剪力滞系数理论值由1.20增加到1.29,有限元值为1.17.悬臂梁的最大剪力滞系数从1.20上升至1.30,有限元值为1.23.翘曲位移函数的阶次愈大,最大剪力滞系数的计算结果也愈大.可见,翘曲位移函数的阶次太高会导致结果偏离真实值,采用三次抛物线是个比较保守,富余量又不大的选择.
表3给出了10 kN/m均布荷载作用下简支梁和悬臂梁典型截面剪力滞系数.
表3 均布荷载10 kN/m下典型截面剪力滞系数
Tab.3 Shear lag coefficient of typical section under uniformly distributed load of 10 kN/m
简支梁在均布荷载下的最大剪力滞系数为1.02,且对曲线阶次并不敏感,工程中可以忽略跨中剪力滞引起的应力集中效应.悬臂梁在均布荷载下,剪力滞系数为1.23左右,比集中荷载下更为显著,因此,悬臂施工的薄壁箱梁必须重视剪力滞因素引起的不均匀现象.
图3 简支梁集中荷载下跨中截面剪滞系数分布
Fig.3 Shear lag coefficient distribution of midspan section under concentrated load of simply supported beam
由图3可见,变分法求解波形钢腹板预应力混凝土箱梁的最大剪力滞系数可以很好地逼近有限元值,但该法将翼缘板做了拟平面应力假定,自由端存在一定的误差,并且从有限元分析可以看出翼板悬挑段与箱室内段的剪力滞系数并非完全对称,可以考虑拟定多条翘曲函数来分别计算.
图4 悬臂梁根部剪力滞系数横向分布
Fig.4 Transverse distribution of shear lag coefficient at the root of cantilever beam
悬臂梁在均布荷载下的最大剪力滞系数值1.34,二次曲线的变分值为1.38.然而,在集中荷载下最大剪力滞系数为1.23,高于二次曲线的求解值1.20,可以考虑采用4次曲线来解答,对于不同的荷载工况,也可以考虑采用不同阶次的曲线.