雙工字鋼-混凝土組合梁橋剪力滯效應分析

馮秋然，管 樂，金建平，張松杰，王 炎

(1.浙江理工大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310000；2.溫州設計集團有限公司，浙江 溫州 325000；3.杭州市地鐵置業(yè)有限公司，浙江 杭州 310000；4.金華市軌道交通集團有限公司，浙江 金華 321000)

鋼-混凝土組合梁橋作為新型橋梁相比傳統(tǒng)混凝土橋梁[1]，材料利用充分、耐久性較好。目前已成為法國、日本等發(fā)達國家新建的中小跨徑橋梁中的主流橋型。

關于鋼-混凝土組合梁剪力滯效應的研究，國內外學者已取得一定成果。吳文清[2]等通過有限元法分析了波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應的影響規(guī)律，給出了剪力滯系數擬合公式；聶建國、李法雄等[3- 4]通過彈性理論分析得到了組合梁剪力滯效應彈性解析解，給出了組合梁翼板有效寬度計算簡化公式；秦翱翔等[5]通過理論分析、模型試驗與空間有限元三種方式，對比分析了波形鋼腹板-鋼底板-混凝土頂板組合箱梁剪力滯效應分布規(guī)律；熊紹偉等[6]通過有限元分析研究波形鋼腹板連續(xù)剛構橋剪力滯效應的翼緣有效寬度，并與規(guī)范法進行對比，驗證了規(guī)范適用性。Khan等[7]將三維有限元分析與彌散裂紋模型結合，考慮橋面板剪力滯效應，評估組合梁負彎矩區(qū)的裂縫寬度。Fabrizio[8]等提出了一種可以考慮了橋面板剪力滯效應的鋼混組合梁有限元分析方法。

雙工字鋼-混凝土組合梁橋由于主梁間距較大，橋面板剪力滯效應更加明顯而目前關于此橋型的剪力滯效應研究尚不充分。JTG/T D064- 1—2015《公路鋼混組合橋梁設計與施工規(guī)范》[9]中給出了橋面板有效寬度計算方法，但是對于大間距的雙主梁橋型適用性需要進一步驗證。

本文以某三跨鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋為對象，采用數值模擬方法分別對恒載與車輛荷載作用下的橋面板應力進行研究，分析雙主梁間距、橫梁間距對橋面板剪力滯效應的影響，為雙工字鋼-混凝土組合梁橋橋面板設計提供參考。

1 結構概況

混凝土橋面板寬12m，厚40cm。工字主梁高1600mm，上翼緣寬700mm，下翼緣寬850mm；鋼板厚度隨梁段變化，上翼緣板厚度依次為20、24、32、48、32、24mm；腹板厚度依次為20、16、20、24、20、16mm；下翼緣板厚度依次為32、48、40、60、40、32mm。端橫梁高1200mm，上下翼緣寬700mm，腹板與翼緣板均24mm厚。小橫梁高800mm，上下翼緣寬400mm，腹板與翼緣板均20mm厚。上部結構標準斷面如圖1所示。

圖1 橋梁橫斷面圖(單位：mm)

2 分析模型

圖2 橋梁分析模型

本文采用ANSYS建立分析模型，采用實體單元solid45模擬橋面板，采用殼單元shell181模擬主梁與橫梁。使用綁定接觸模擬橋面板與主梁間的邊界條件。為提高求解精度使用結構化網格劃分分析模型，如圖2所示。橋面板使用C50混凝土，鋼結構使用Q345鋼材，均按線彈性考慮。邊界條件按三跨連續(xù)梁橋形式施加在對應支座位置處。

為研究雙主梁間距與橫梁間距對橋面板剪力滯效應影響，以原設計為基礎提出5種主梁間距與3種橫梁間距，共計建立15個分析模型，見表1。

表1 分析模型

已有研究[10]表明集中荷載與均布荷載作用下橋面板剪力滯效應存在差異，本文分為三種工況進行研究，工況一：結構自重+橋面鋪裝；工況二：車輛偏載；工況三：車輛中載。車輛荷載以JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》[11]中規(guī)定的標準車輛為依據，選取車輛后輪2×70kN進行加載。車輛偏載時右側車輪距離右懸臂端100cm，車輛中載時右側車輪距離右懸臂端510cm，如圖3所示。

圖3 車輛偏載與車輛中載(單位：cm)

在縱向選取關鍵位置分析橋面板上翼緣的剪力滯效應，包括邊跨L/4、L/2、3L/4、中支點處、中跨L/4、L/2六個位置。由于分析模型的數量、工況較多，為了處理分析方便對數據進行編號。編號規(guī)則為：模型號-荷載工況-分析截面，其中恒載工況記為H，偏載工況記為P，中載工況記為Z，邊跨三個截面依次記為B1-B3，中支點記為ZZ，中跨兩個截面記為Z1、Z2。以編號M11-H-B1為例，說明此時提取數據為M11模型在恒載作用下邊跨L/4截面橋面板上翼緣正應力數據。

3 恒載作用下剪力滯效應分析

剪力滯效應研究中一般使用剪力滯系數來描述截面應力分布不均勻程度，定義如下：

λ=σs/σ0

(1)

式中，λ—剪力滯系數，σs—考慮剪力滯效應求得翼緣板正應力；σ0—按初等梁理論求得翼緣板正應力。

參考馬天[12]對鋼板組合梁橋的研究，本文剪力滯系數計算方法是先對橋面板寬度范圍內正應力進行積分再除以橋面板寬，得到類似于初等梁理論求得的平均正應力值。再用翼緣板橫向各點的實際正應力值除以此應力平均值，即得到各點的剪力滯系數。這種方法的優(yōu)點是在經典力學定義中的剪力滯系數基礎上考慮了結構的空間特征。

3.1 雙主梁間距與橫梁間距對橋面板應力影響

恒載作用下各分析模型中橋面板上翼緣正應力分布如圖4所示，結果表明在各關鍵截面橋面板應力分布隨雙主梁間距不同分為五種類型，雙主梁間距越大橋面板整體應力值就越大，而橫梁間距變化對橋面板應力狀態(tài)影響十分微弱。總體來看，B1-B3、Z1、Z2截面應力分布情況相似，在恒載作用下橋面板懸臂端附近的正應力小于平均應力值，處于負剪力滯效應；橋面板中心正應力大于平均應力值，處于正剪力滯效應。橋面板在主梁位置的正應力與平均應力值較為接近。從圖4(d)可以看出，ZZ截面橋面板在主梁位置的正剪力滯效應較為顯著，橋面板中心附近出現負剪力滯效應。從圖4(e)可以看出，在中跨L/4截面橋面板上翼緣同時存在拉、壓正應力，而一般情況下混凝土橋梁同一截面正應力方向相同，這是雙工字鋼-混凝土組合橋梁的特殊現象，這與[12]研究發(fā)現一致。

圖4 恒載作用下橋面板上緣應力分布

3.2 雙主梁間距對剪力滯系數和有效寬度的影響

根據上述分析，以橫梁間距相同的M11-M15為分析對象，計算各截面最大剪力滯系數與主梁位置處剪力滯系數，中跨L/4截面同時存在拉壓應力所以不計算，見表2。結果表明，在邊跨各截面、中跨L/2截面的主梁位置處均出現負剪力滯效應，隨主梁間距增大，剪力滯系數逐漸降低，在B3截面下降幅度最大達到87.4%。中支座截面的主梁位置處出現正剪力滯效應，隨主梁間距增大，剪力滯系數逐漸提高，增長幅度最大達到26.7%。剪力滯系數最大值出現位置也呈一致性，邊跨各截面、中跨L/2截面最大值出現在橋面板中心處，中支座截面出現在主梁位置。

表2 恒載作用下剪力滯系數

根據有限元分析結果計算邊跨跨中、中跨支點、中跨跨中三個截面的有效寬度并與規(guī)范法對比，見表3。結果表明，計算恒載作用時各截面有限元法的有效寬度計算結果均小于規(guī)范法，按照規(guī)范法取值可能會偏于不安全。

表3 恒載作用下有效寬度計算結果

4 集中荷載作用下剪力滯效應分析

4.1 偏載工況雙主梁、橫梁間距對橋面板應力影響

同理，車輛偏載作用下各分析模型中橋面板上翼緣正應力分布如圖5所示，結果表明在各截面根據主梁間距不同分為五種應力分布狀態(tài)，隨著主梁間距增大正應力逐漸提高而橫梁間距對應力分布影響十分有限?？梢钥闯鰳蛎姘逭龖顟B(tài)與車輪作用位置對應，作用點附近呈顯著正剪力滯效應。橋面板局部范圍內產生應力集中的現象，其分布寬度約為車輪左右兩側約30cm范圍，到邊界應力迅速降低到最大值的50%左右。

從圖5(e)可以看出，在中支點截面當主梁間距處于6D/12-7D/12范圍內橋面板中心處出現拉應力，一般情況下混凝土橋梁同一截面正應力符號相同，通過分析可能是由于此時雙工字主梁聯系比較緊密，非偏載側的主梁限制了橋面板的整體變形，從而產生拉應力。

4.2 偏載工況雙主梁、橫梁間距對剪力滯系數影響

根據上述分析，以橫梁間距相同的M11-M15為分析對象，計算各截面最大剪力滯系數與主梁位置處剪力滯系數，中支座截面同時存在拉壓應力所以不計算此處剪力滯系數，見表4。結果表明，集中荷載作用下作用點附近出現顯著正剪力滯效應，各截面最大剪力滯系數達到4.95～5.47，對比恒載作用下的剪力滯系數，集中荷載下的局部剪力滯系數較大。而由于車輛荷載作用點相對固定，當主梁間距發(fā)生變化時主梁距離荷載作用點越遠主梁位置的剪力滯系數越小。

4.3 中載工況雙主梁、橫梁間距對橋面板應力影響

車輛中載作用下各分析模型中橋面板上翼緣正應力分布如圖6所示，可以看出與偏載工況下的應力分布情況相似，車輪作用點附近出現明顯正剪力滯效應，隨著主梁間距增大正應力逐漸提高而橫梁間距對應力分布影響十分有限。作用點附近應力集中，在50cm范圍內應力值迅速降低到最大值的50%左右。從圖6(e)可以看出，在中支點截面同時存在拉、壓應力，這與一般混凝土橋梁存在差異。

表4 車輛偏載作用下剪力滯系數

4.4 中載工況雙主梁、橫梁間距對剪力滯系數影響

同理計算各截面最大剪力滯系數與主梁位置處剪力滯系數，見表5?？梢钥闯?，除中支座截面外的各截面主梁位置處均出現負剪力滯效應，中支座截面的主梁位置處出現正剪力滯效應。隨主梁間距增大，剪力滯系數逐漸提高。

對比表4結果可以看出集中荷載荷載作用下橋面板剪力滯效應與荷載作用點位置關聯性較大，偏載工況下剪力滯系數普遍大于中載工況。

5 結論

(1)通過對比分析發(fā)現在所有截面橫梁間距對橋面板應力狀態(tài)影響均十分微弱，因此設計中不必考慮橫梁間距對橋面板受力的影響。

(2)恒載作用下在中支座截面，隨雙主梁間距增大，橋面板中心處剪力滯系數不斷減小而主梁位置剪力滯系數不斷提高，其余截面變化趨勢與此相反。經比較主梁位置剪力滯系數對雙主梁間距變化較為敏感，邊跨3L/4截面變化幅度最大達到87%，

圖5 車輛偏載作用下橋面板上緣應力分布

表5 車輛中載作用下剪力滯系數

而橋面板中心處剪力滯系數變化幅度均未超過10%。

(3)中跨L/4截面在恒載作用下同時存在拉、壓應力，而邊跨3L/4截面剪力滯系數對主梁間距變化較為敏感。因此在設計中需要對橋面板正負彎矩交界處合理配筋。

(4)分析恒載時規(guī)范法計算的橋面板有效寬度值相比有限元法偏大，偏于不安全。

(5)集中荷載作用下作用點附近正剪力滯效應十分顯著。偏載工況中車輪左右0.3m范圍，中載工況中車輪左右0.5m范圍，橋面板正應力降低到最大值的50%以下。

(6)集中荷載作用下主梁位置處的剪力滯系數取決于距離作用點的距離，越近則剪力滯系數越大。各截面中偏載工況最大剪力滯系數普遍大于中載工況，因此偏載工況下的剪力滯效應多需注意。

圖6 車輛中載作用下橋面板上緣應力分布