波形鋼腹板箱梁剪力滯效應(yīng)研究

馮天鵬，徐向鋒，張 峰，姜瑞娟

(1. 寧夏公路建設(shè)管理局，寧夏 銀川 750000；2. 山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；3. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

波形鋼腹板箱梁剪力滯效應(yīng)研究

馮天鵬1，徐向鋒2，張 峰3，姜瑞娟3

(1. 寧夏公路建設(shè)管理局，寧夏 銀川 750000；2. 山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；3. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

為了研究波形鋼腹板箱梁的剪力滯效應(yīng)，建立了考慮波形鋼腹板剪切變形的箱梁縱向位移翹曲函數(shù)，考慮頂?shù)装宓目v向、面內(nèi)剪切變形能和鋼腹板的剪切變形能；基于能量變分原理，推導(dǎo)了適用于波形鋼腹板箱梁剪力滯分析的解析解；綜合對比模型試驗、有限元分析及變分解析解的計算結(jié)果。研究表明：推導(dǎo)的波形鋼腹板剪力滯解析解計算結(jié)果與模型試驗、有限元分析結(jié)果吻合；集中荷載加載工況下，剪力滯影響區(qū)域僅在加載位置左右兩側(cè)附近很小范圍；加載位置越靠近支座位置，剪力滯效應(yīng)越明顯；寬高比對剪力滯無影響，剪力滯系數(shù)與寬跨比呈線性相關(guān)；翼緣板寬度增加后箱梁的剪力滯系數(shù)增大。

橋梁工程；波形鋼腹板；箱梁；剪力滯；變分；模型試驗；有限元

0 引 言

波形鋼腹板組合箱梁橋[1]是一種以波形鋼板取代混凝土腹板的鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁形式(圖1)，具有自重輕、力學(xué)效能優(yōu)越、便于裝配施工、造價低、耐久性好和全壽命期經(jīng)濟(jì)效益高、低碳節(jié)能等眾多優(yōu)點。與混凝土箱梁橋、鋼箱梁橋、傳統(tǒng)的平鋼腹板組合箱梁橋一樣，波形鋼腹板組合箱梁橋在荷載作用下翼緣板會有剪力滯效應(yīng)，在該類橋梁的設(shè)計中是否考慮剪力滯效應(yīng)關(guān)乎橋梁的縱向抗彎承載力乃至橋梁的整體安全性。

圖1 波形鋼腹板箱梁Fig.1 Corrugated steel web box girder

奧地利、英國、澳大利亞與前聯(lián)邦德國在1969年11月到1971年11月期間相繼發(fā)生了4起鋼箱梁失效或破壞事故，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)4座橋梁設(shè)計時忽略剪力滯效應(yīng)是事故發(fā)生的重要原因。國內(nèi)學(xué)者針對波形鋼腹板組合箱梁橋剪力滯效應(yīng)做了一些研究。吳文清[2]最早采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗的技術(shù)手段，對等截面波形鋼腹板組合箱梁橋的剪力滯問題進(jìn)行研究。翼偉等[3]基于三次拋物線的位移假定用變分法求解等截面簡支梁的剪力滯效應(yīng)。周茂定等[4]用比擬桿法分析簡支波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應(yīng)。喻文兵[5]通過足尺量試驗研究了簡支波形鋼腹板組合箱梁橋的剪力滯效應(yīng)。馬磊等[6]在某三跨單箱三室波形鋼腹板箱梁上進(jìn)行了測試并計算了翼緣有效寬度計算系數(shù)，指出現(xiàn)有的國內(nèi)外橋梁規(guī)范均無法準(zhǔn)確給出單箱三室波形鋼腹板箱梁翼緣有效寬度計算系數(shù)。 朱越峰等[7]認(rèn)為與普通混凝土腹板箱梁相比，波形鋼腹板組合箱梁由于腹板縱向剛度小，剪力滯效應(yīng)不明顯。變截面波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應(yīng)在近期也有一些初步的研究成果。周勇超等[8]在所推導(dǎo)等截面波形鋼腹板剪力滯效應(yīng)的微分方程上，將截面剛度系數(shù)由常數(shù)變?yōu)殛P(guān)于橋長方向的函數(shù)，得到變截面波形鋼腹板剪力滯效應(yīng)的微分方程。

綜合來看，波形鋼腹板組合箱梁橋剪力滯效應(yīng)研究成果還較少。由于能量變分方法可以獲得閉合解，可以定性分析各種參數(shù)對剪力滯的影響情況，在普通PC箱梁上已有不少研究。為此，進(jìn)一步開展基于能量變分方法在波形鋼腹板箱梁上的應(yīng)用具有理論價值和工程意義。

1 基本假定及控制微分方程

1.1 基本假定

波形鋼腹板單箱單室箱形梁截面參數(shù)以及坐標(biāo)如圖2，坐標(biāo)原點取在截面的形心。

圖2 波形鋼腹板箱梁截面構(gòu)造 Fig.2 Cross-section structure of corrugated steel web box girder

根據(jù)波形鋼腹板箱梁的受力特點，公式推導(dǎo)中采用以下假定[1]：

1)忽略鋼腹板的抗彎性能，僅僅考慮其豎向抗剪性能；

2)波形鋼腹板箱梁的頂、底板及翼緣板符合“擬平截面假定”；

3)忽略頂、底板及翼緣板的橫向應(yīng)變(εy=0)及豎向應(yīng)變(εz=0)，忽略頂、底板及翼緣板的面外剪切應(yīng)變(γzy=γxz=0)。

1.2 控制微分方程

定義圖1所示的薄壁箱梁的梁體豎向變形為w，縱向變形為u。外荷載作用下波形鋼腹板箱梁產(chǎn)生剪切變形γxz[9]，因此經(jīng)典Euler梁理論不再適用，需要依據(jù)Timoshenko梁理論開展計算分析。箱梁中性軸的轉(zhuǎn)角φ可表示為

φ=w′-γxz

(1)

波形鋼腹板的豎向剪切變形由式(2)確定：

(2)

式中：Q為剪力；Ge為波形鋼腹板有效剪切模量；Aw為波形鋼腹板橫截面面積。

波形鋼腹板縱斷面尺寸如圖3。

圖3 波形鋼腹板縱斷面Fig.3 Profile of corrugated steel web

波形鋼腹板有效剪切模量Ge為

Ge=G(b+d)/[b+dsec(α)]

(3)

式中：b，d，α的意義參見圖3；G為鋼材的剪切彈性模量。

定義頂、底板及翼緣板翹曲位移差為U，則頂、底板及翼緣板的翹曲位移描述為

(4)

波形鋼腹板箱梁的總勢能泛函由頂板、底板及腹板的變形能和外荷載勢能疊加組成。

1.2.1 應(yīng) 變

由式(1)知波形鋼腹板豎向剪切應(yīng)變γxz：

γxz=w′-φ

(5)

基于式(4)，頂、底板及翼緣板的正應(yīng)變εi為

(6)

頂、底板及翼緣板的面內(nèi)剪應(yīng)變γi為

(7)

1.2.2 變形能

波形鋼腹板的變形能Vw描述為

(8)

式中：l為梁長；hw為波形鋼腹板豎向高度；tw為波形鋼腹板厚度。

頂、底板及翼緣板的變形能描述為

(9)

式中：E為混凝土彈性模量；G為混凝土剪切模量；t1，t2及t3參見圖2。

1.2.3 外荷載勢能

橫向荷載作用下的梁段參見圖4。

圖4 梁段荷載Fig.4 Beam load

由圖4可見，外荷載勢能W由橫向荷載及梁段端部剪力和彎矩共同作用：

(10)

式中：M為梁段彎矩；q為橫向荷載；Q為梁段剪力。

考慮梁體平衡，有Q=dM/dx,q=-dQ/dx，代入式(10)，通過分部積分式(10)可變形為

(11)

式中：第1項為彎曲勢能；第2項為剪力勢能。

1.2.4 微分方程

體系總勢能Π：

Π=Vw+V1+V2+V3-W

(12)

通過推導(dǎo)可得到體系總勢能的表達(dá)式為

(13)

需要注意的是式(8)和式(12)的第2項值相等，在推導(dǎo)過程中剛好抵消。

對箱形梁總勢能泛函求一階變分，根據(jù)變分原理δΠ=0，得箱梁受力變形的微分方程:

(14)

(15)

邊界條件:

(16)

求解得到縱向翹曲位移差函數(shù)U后，即可根據(jù)式(14)求解得到φ′，代入式(6)求解頂、底及翼緣板的縱向正應(yīng)變，進(jìn)而求解得到波形鋼腹板箱梁的剪力滯系數(shù)。

2 波形鋼腹板簡支箱梁的剪力滯效應(yīng)

圖5為簡支梁在集中荷載作用下加載示意。

圖5 簡支梁加載示意Fig.5 Loading sketch of simply supported beam

當(dāng)集中荷載P作用于簡支箱梁的跨內(nèi)任意位置處時，內(nèi)力和位移等均需要分段表達(dá)。在P作用點以左梁段，物理量加載下標(biāo)“1”，在P作用點以右梁段，物理量加載下標(biāo)“2”。a，b為加載點距離支座的距離。

當(dāng)0≤x≤a時，梁體剪力Q=b/lP。由式(15)可得

(17)

式中：C1和C2為待定系數(shù)。

當(dāng)a

(18)

式中：C3和C4為待定系數(shù)。

(19)

由邊界條件求得待定系數(shù)：C1=0,C2= sh[k(l-a)]/[k2sh(kl)]，C3=sh(ka)/k2，C4=-sh(kb)/[k2th(kl)]。

求得剪力滯系數(shù)：

(20)

(21)

式中：B=sh(ka)ch(kx)-sh(ka)cth(kl)sh(kx)。

3 波形鋼腹板箱梁剪力滯系數(shù)

3.1 波形鋼腹板簡支箱梁模型試驗

波形鋼腹板采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼，厚度為1 mm，細(xì)部參數(shù)參見圖3，其數(shù)值為b=20 mm，d=16 mm，h=12 mm?；炷敛捎肅30，其測定參數(shù)為：彈性模量E=30 000 MPa、極限壓應(yīng)變εcu=0.003 42 和泊松比μ=0.192。模型梁的尺寸參見圖6，實際加載見圖7。

圖6 截面構(gòu)造Fig.6 Cross-section structure

圖7 跨中集中荷載加載Fig.7 Concentrated load loading of span center

3.2 模型試驗與理論分析

基于ABAQUS軟件建立模型試驗梁，模擬了波形鋼腹板內(nèi)嵌入頂板和底板及橫隔板的構(gòu)造，共劃分節(jié)點總數(shù)67 184，單元總數(shù)50 832，其中39 744個六面體單元(C3D8R)，11 088個殼單元(S4R)。具體有限元模型見圖8，集中荷載加載下箱梁頂、底板縱向應(yīng)力計算結(jié)果參見圖9。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

圖9 箱梁頂、底板縱向應(yīng)力(單位:Pa)

由圖9可見，在集中荷載作用下，箱梁頂板及底板跨中位置均出現(xiàn)明顯的剪力滯效應(yīng)。

采用有限元數(shù)值模擬，筆者推導(dǎo)的解析解分別計算跨中加載25 kN時的頂板剪力滯效應(yīng)，并與試驗測試結(jié)果進(jìn)行對比，具體結(jié)果參見圖10。

圖10 剪力滯對比Fig.10 Shear lag contrast

由圖10可見：①有限元計算結(jié)果取頂板中面位置節(jié)點應(yīng)力進(jìn)行分析，由于在加載點位置有局部應(yīng)力效應(yīng)，最大剪力滯系數(shù)位置在橫向稍有偏差；②筆者推導(dǎo)的公式所得結(jié)果與有限元和試驗測試結(jié)果接近；③從試驗測試結(jié)果和有限元分析結(jié)果可以看出，頂板的剪力滯效應(yīng)要稍大于底板，為此后續(xù)分析中僅提取頂板剪力滯系數(shù)進(jìn)行分析。

3.3 波形鋼腹板箱梁的剪力滯影響參數(shù)分析

分析不同加載位置對箱梁縱向剪力滯的影響，剪力滯系數(shù)選取頂板與腹板交界位置的λe，具體參見圖11。

圖11 不同加載位置對剪力滯系數(shù)的影響Fig.11 Influence of different loading positions on shear lag coefficients

由圖11可見：①集中荷載加載工況下，剪力滯效應(yīng)僅在加載位置左右兩側(cè)附近很小區(qū)段內(nèi)才有，該結(jié)論與圖9的應(yīng)力云圖顯示結(jié)果類似；②加載位置越靠近支座位置，加載位置處的剪力滯效應(yīng)越明顯，加載位置為0.17l時，剪力滯數(shù)值為2.140 8；加載位置為0.5l時，剪力滯系數(shù)為1.298 6，降低了40%。

吳文清[2]研究表明：波形鋼腹板的鋼腹板細(xì)部構(gòu)造對剪力滯效應(yīng)影響很少，可不考慮。進(jìn)一步開展寬跨比(w/l)和寬高比(w/h)對λe的影響。需要注意的是，此時分析時，箱梁的寬度變化時，頂板和翼緣板的寬度做等系數(shù)變換，加載工況為跨中加載，剪力滯系數(shù)提取位置為跨中位置。計算結(jié)果見圖12。

圖12 箱梁尺寸對剪力滯系數(shù)的影響Fig.12 Influence of box girder size on shear lag coefficients

由圖12可見：①寬高比(w/h)對剪力滯影響很小，分析其原因為箱梁縱向翹曲函數(shù)的定義與箱梁截面橫向尺寸密切相關(guān)，與高度相關(guān)的僅有波形鋼腹板的抗剪效應(yīng)，而需要注意的是，式(8)和式(12)的第2項值相等，在推導(dǎo)過程中剛好抵消，導(dǎo)致體系總勢能項與高度相關(guān)性很??；②寬跨比(w/l)對剪力滯影響較大，變分法的分析結(jié)果顯示，剪力滯系數(shù)與寬跨比呈線性相關(guān)。

進(jìn)一步分析箱梁的翼緣板寬度與頂板寬度比值(b3/b1)對剪力滯特性的影響。保持頂板寬度不變，僅變化翼緣板寬度，加載工況為：在跨中位置加載，剪力滯系數(shù)提取位置為跨中位置。具體分析結(jié)果見圖13。

圖13 b3/b1對剪力滯系數(shù)的影響Fig.13 Influence of b3/b1 on shear lag coefficients

由圖13可見，b3/b1從0.17變化至1.65時，剪力滯系數(shù)從1.247 1變化至1.330 6，增加了6.7%。

4 結(jié) 論

1)建立了波形鋼腹板箱梁縱向位移翹曲函數(shù)，考慮頂?shù)装宓目v向、面內(nèi)剪切變形能和鋼腹板的剪切變形能，基于能量變分原理推導(dǎo)了適用于波形鋼腹板箱梁剪力滯分析的解析解。

2)集中荷載加載工況下，剪力滯效應(yīng)僅在加載位置左右兩側(cè)附近很小區(qū)段內(nèi)才有。加載位置越靠近支座位置，加載位置處的剪力滯效應(yīng)越明顯。

3)寬高比(w/h)對剪力滯影響很小，寬跨比(w/l)對剪力滯影響較大，剪力滯系數(shù)與寬跨比呈線性相關(guān)。

4)翼緣板寬度增加后箱梁的剪力滯系數(shù)增大。

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Shear Lag Effect of Box Girder with Corrugated Steel Webs

FENG Tianpeng1, XU Xiangfeng2, ZHANG Feng3, JIANG Ruijuan3

(1. Ningxia Highway Construction Administration Bureau， Yinchuan 750000, Ningxia, P. R. China; 2. Shandong Jiaotong University, Ji’nan 250061, Shandong, P. R. China;3. Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Ji’nan 250061, Shandong, P. R. China)

In order to study the shear lag effect of box girder with corrugated steel web plate, the longitudinal displacement warping function of box girder was established, which considered the shear deformation of corrugated steel web plate, longitudinal and in-plane shear deformation of the top and the bottom flange. Based on the energy variational principle, an analytical solution was derived for the shear lag analysis of the box girder with corrugated steel webs. Results of model test, finite element analysis and variational solution method were compared with each other. Study shows that: the calculation results of the shear lag effect of box girder with corrugated steel webs are in a good agreement with those of the model test and finite element analysis; the effect area of shear lag only occurs at both sides near the loading position in a very small range; the closer the loading position near the bearing position, the more obvious the shear lag effect. The ratio of width to height has no effect on shear lag. The shear lag coefficient is linearly related with the ratio of width to span. The shear lag coefficient of box girder increases with flange width.

bridge engineering; corrugated steel webs; box girder; shear lag; variation; model test; the finite element

2015-07-29；

2015-12-20

寧夏交通廳科技項目(201504)；國家自然科學(xué)基金項目(51578323)

馮天鵬(1972—)，男，寧夏人，高級工程師，主要從事交通建設(shè)方面的研究。E-mail：841177536@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.03

U448. 213

A

1674-0696(2016)06-011-05