空間連續(xù)組合桁梁橋有效分布寬度分析

宋衛(wèi)忠

(上海市奉賢區(qū)建設(shè)和交通委員會，上海 201400)

1 概述

組合結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浜侠淼匕l(fā)揮了鋼受拉性能強(qiáng)和混凝土受壓性能好的特點(diǎn)[1］，在橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其中一種應(yīng)用形式就是組合桁架梁橋。組合梁受力發(fā)生變形時(shí)，混凝土翼緣板內(nèi)的剪應(yīng)變使翼緣板發(fā)生剪切變形，造成在板寬范圍內(nèi)的正應(yīng)力分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為“剪力滯效應(yīng)”[2］。翼緣剪力滯效應(yīng)通常用有效分布寬度及有效分布寬度系數(shù)衡量。

目前，對于組合桁架的有效分布寬度，何畏[3］對蕪湖長江大橋的橋面板有效分布寬度進(jìn)行計(jì)算，肖亞明[4］、范國璽[5］對平面簡支組合桁架的有效分布寬度開展了參數(shù)化分析，朱慶普[6］探討了空間簡支組合桁架有效分布寬度的影響因素，而對于空間連續(xù)組合桁架梁橋有效分布寬度研究相對較少。

2 有限元模型

選取跨徑為48 m的兩跨連續(xù)空間桁架梁橋作為研究對象，如圖1所示，建立有限元模型，橫截面尺寸如圖2所示，橋面板厚度為hc，橋面板全寬為B。桁架采用三角形桁架形式，節(jié)點(diǎn)橫橋向間距為B1，截面為等腰直角三角形，內(nèi)設(shè)有加勁，高度為350 mm，上弦節(jié)點(diǎn)間設(shè)有橫梁，腹桿鋼管外徑為250 mm，板厚6 mm，下弦為鋼管混凝土，鋼管外徑為750 mm，板厚為20 mm。

橋面板用Shell181單元模擬，上弦用Shell63單元模擬，橫梁、腹桿及下弦采用Beam188單元模擬。模型中不含預(yù)應(yīng)力，且不考慮混凝土與鋼之間的滑移。混凝土標(biāo)號為C50，鋼材采用Q345。梁的兩端截面限制下弦節(jié)點(diǎn)的豎向位移和橫橋向位移;梁的中間支點(diǎn)截面限制下弦節(jié)點(diǎn)的豎向、縱橋向以及橫橋向位移;在兩端截面限制橋面板的橫橋向位移。

3 有效分布寬度影響因素

影響有效分布寬度的因素有很多[7］，本文考察荷載形式、寬跨比、橋面板厚度、高跨比、節(jié)點(diǎn)橫橋向間距以及節(jié)點(diǎn)縱橋向間距等因素的影響。取 B=8 m，hc=250 mm，H=2．4 m，B1=4 m，節(jié)點(diǎn)縱橋向間距為4 m的模型為基本模型，選取跨中節(jié)點(diǎn)斷面(A)、跨中節(jié)間斷面(B)、中支點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)斷面(C)和中支點(diǎn)節(jié)間斷面(D)，進(jìn)行有效分布寬度的研究，如圖1所示。

3．1 荷載形式的影響

為考察荷載形式對有效分布寬度的影響，在縱橋向分別采用均布荷載作用和集中荷載作用，其中均布荷載大小為1．5 kN/m2，集中荷載位于兩跨跨中位置，橫橋向采用均布荷載，荷載大小為6．25 kN/m。一跨內(nèi)的有效分布寬度系數(shù)如圖3所示。

與均布荷載相比，集中荷載作用下有效分布寬度系數(shù)普遍較大，但在集中荷載附近的有效分布系數(shù)較小，說明荷載形式對有效分布寬度的影響比較大，因而以下有效分布寬度影響因素分析均基于均布荷載。

3．2 寬跨比的影響

分別取橋面板寬度B為6 m，8 m，10 m，12 m，對應(yīng)的寬跨比則為 1/8，1/6，1/4．8，1/4，計(jì)算關(guān)鍵斷面的有效分布寬度系數(shù)，如圖4所示。橋面板寬度從6 m增加到12 m，在跨中節(jié)間(B)處，有效分布寬度系數(shù)變化最小，減小了4．8%;而在中支點(diǎn)節(jié)點(diǎn)(C)處，有效分布寬度系數(shù)變化最大，減小了16．2%。寬跨比變大，節(jié)間和節(jié)點(diǎn)處的有效分布寬度系數(shù)都變小，且在中支點(diǎn)節(jié)點(diǎn)處更為明顯。

3．3 橋面板厚度的影響

分別取橋面板厚度hc為150 mm，200 mm，250 mm，300 mm，350 mm，計(jì)算關(guān)鍵斷面的有效分布寬度系數(shù)，如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)橋面板厚度由150 mm增大到350 mm時(shí)，跨中和中支點(diǎn)節(jié)間處(斷面B，D)處的有效分布寬度系數(shù)變化不大;而在跨中節(jié)點(diǎn)(A)和中支點(diǎn)節(jié)點(diǎn)(C)處變化較大，分別增大了9．7%和11．1%。橋面板厚度增加，節(jié)間處有效分布寬度系數(shù)變化不大，而節(jié)點(diǎn)處的變化較大。

3．4 高跨比的影響

分別取梁高 H 為1．6 m，2．4 m，3．2 m，4 m，對應(yīng)高跨比則為1/30，1/20，1/15，1/12，計(jì)算4 個(gè)關(guān)鍵斷面的有效分布寬度系數(shù)，如圖6所示。梁高從1．6 m增加到4 m，跨中和中支點(diǎn)節(jié)間處(斷面B，D，C)的有效分布寬度系數(shù)變化不大;跨中節(jié)點(diǎn)(A)的有效分布寬度系數(shù)減小了5．8%。高跨比從1．6 m增加到2．4 m，有效分布寬度系數(shù)變化較明顯;而高度繼續(xù)增大后基本不變。

3．5 節(jié)點(diǎn)橫橋向間距的影響

分別取節(jié)點(diǎn)橫橋向間距B1為3 m，4 m，5 m，6 m，計(jì)算4個(gè)關(guān)鍵斷面的有效分布寬度系數(shù)，如圖7所示?？梢钥吹?，當(dāng)節(jié)點(diǎn)橫橋向間距從3 m增加到6 m時(shí)，跨中節(jié)點(diǎn)(A)、跨中節(jié)間(B)和中支點(diǎn)節(jié)間(D)的有效分布寬度系數(shù)變化都不大;中支點(diǎn)節(jié)點(diǎn)(C)的有效分布寬度系數(shù)減小了9．5%。因此，除對中支點(diǎn)節(jié)點(diǎn)(C)影響稍大外，節(jié)點(diǎn)橫橋向間距變化對有效分布寬度的影響并不是很大。

3．6 節(jié)點(diǎn)縱橋向間距的影響

取節(jié)點(diǎn)縱橋向間距分別為2 m，4 m，6 m，8 m，計(jì)算4個(gè)關(guān)鍵斷面的有效分布寬度系數(shù)，如圖8所示?？梢钥闯觯?dāng)節(jié)點(diǎn)縱橋向間距從2 m增加到8 m時(shí)，跨中和中支點(diǎn)節(jié)間處(斷面B，D)的有效分布寬度系數(shù)變化都不大;而跨中節(jié)點(diǎn)(A)的有效分布寬度系數(shù)減小了30．2%，中支點(diǎn)節(jié)點(diǎn)(C)的有效分布寬度系數(shù)減小了7．3%。節(jié)點(diǎn)縱橋向間距的變化除了對跨中節(jié)點(diǎn)(A)的有效分布寬度影響較大外，其余斷面影響不大。

4 計(jì)算結(jié)果分析

參考日本、英國、加拿大、美國、澳大利亞對組合梁橋有效分布寬度的規(guī)定[8］，將以上計(jì)算結(jié)果與各國規(guī)范比較，如圖9，圖10所示。在跨中斷面，日本、英國、加拿大的規(guī)范值均大于節(jié)點(diǎn)(A)與節(jié)間(B)的有限元值，美國和澳大利亞的規(guī)范值在橋面板寬度較大時(shí)才小于有限元值;在中支點(diǎn)斷面，日本規(guī)范值比節(jié)點(diǎn)(C)和節(jié)間(D)的有限元值都小，而英國和加拿大規(guī)范值介于節(jié)點(diǎn)(C)和節(jié)間(D)的有限元值之間，美國和澳大利亞規(guī)范值則當(dāng)橋面板寬度較大時(shí)才小于有限元值。對于橋面板厚度的影響，在跨中斷面和中支點(diǎn)斷面，都是當(dāng)橋面板較薄時(shí)，美國和澳大利亞規(guī)范值才小于有限元值。

因此，空間連續(xù)組合桁梁橋由于其自身空腹梁的特性，不能簡單套用實(shí)腹式組合梁規(guī)范，在橋面板較寬、較薄時(shí)參照美國規(guī)范(AASHTO)計(jì)算有效分布寬度是保守的，而另外的情況則需具體分析其有效分布寬度。

5 結(jié)語

本文利用ANSYS建立兩跨空間連續(xù)組合桁架梁橋有限元分析模型，對影響有效分布寬度的各因素進(jìn)行了參數(shù)化分析，并且將有限元結(jié)果與各國規(guī)范進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論:

1)荷載形式對有效分布寬度的影響較大，集中荷載會造成加載位置附近有效分布寬度的減小，而均布荷載作用下有效分布寬度沿全橋都比較平均。2)寬跨比、橋面板厚度、高跨比以及節(jié)點(diǎn)縱、橫橋向間距等各影響因素中，寬跨比和橋面板厚度對有效分布寬度的影響比較顯著。3)與各國規(guī)范對組合梁橋有效分布寬度的規(guī)定相比，空間連續(xù)組合桁架梁橋在橋面板較寬、較薄時(shí)采用美國規(guī)范(AASHTO)

是保守的，而其他情況則需具體分析。

[1] 劉玉擎．組合結(jié)構(gòu)橋梁[M］．北京:人民交通出版社，2005．

[2] 李運(yùn)生，王元清，石永久，等．組合梁橋有效翼緣寬度國內(nèi)外規(guī)范的比較分析[J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，3(2):34-38．

[3] 何 畏，強(qiáng)士中．板桁組合結(jié)構(gòu)中混凝土橋面板有效寬度計(jì)算分析[J］．中國鐵道科學(xué)，2002，23(4):55-61．

[4] 肖亞明，劉東營，何其洪．簡支組合桁架的翼緣有效寬度研究[J］．工程建設(shè)與檔案，2005，19(4):305-308．

[5] 范國璽．鋼桁架—混凝土組合梁有效寬度的研究[D］．鄭州:鄭州大學(xué)，2010．

[6] 朱慶普．鋼—混凝土組合桁架梁混凝土板有效寬度分析[D］．鄭州:鄭州大學(xué)，2011．

[7] 曹國輝，方 志，周先雁，等．影響薄壁箱梁剪力滯系數(shù)的幾何參數(shù)分析[J］．中外公路，2003，23(1):39-41．

[8] S．S．Chen，A．J．Aref，I．-S．Ahn，M．Chiewanichakorn．EFFECTIVE SLAB WIDTH FOR COMPOSITE STEEL BRIDGE MEMBERS[R］．New York:State University of New York，2001．