組合鋼桁梁橋面板剪力滯效應(yīng)分析

蔣昌龍

摘 要：空腹式的鋼桁梁剪力的傳遞與實(shí)腹式混凝土梁橋差別較大。組合鋼桁梁的橋面板與鋼桁架形成整體共同受力。為對(duì)組合鋼桁梁混凝土橋面板的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析，建立了ABAQUS有限元模型，對(duì)集中荷載作用下組合鋼桁梁不同位置的剪力滯效應(yīng)及有效寬度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明橋面板靠近支點(diǎn)附近的區(qū)域剪力滯效應(yīng)較為顯著，靠近節(jié)間的區(qū)域則不明顯;剪力滯效應(yīng)還會(huì)受到荷載作用形式的影響。

關(guān)鍵詞：鋼桁梁;剪力滯;有效寬度

0 引言

鋼管混凝土組合桁架橋梁相比于一般的組合梁橋梁其結(jié)構(gòu)形式有些特殊，其橋面板擱置在上弦上，相當(dāng)于多點(diǎn)支撐的連續(xù)梁橋。受力與一般的組合梁橋的橋面板受力有較大不同。目前各國(guó)規(guī)范對(duì)組合梁橋面板有效分布寬度的計(jì)算公式都是針對(duì)鋼板梁和鋼箱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁的，但對(duì)于是否能適用于鋼管混凝土組合桁架橋梁中，目前還沒(méi)有明確的定論。因此，展開(kāi)對(duì)鋼管混凝土組合桁架橋梁有效分布寬度的研究非常必要[1-2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)組合梁橋的橋面板有效分布寬度問(wèn)題已進(jìn)行過(guò)大量研究，如對(duì)簡(jiǎn)支和連續(xù)組合梁的橋面板有效分布寬度都做過(guò)大量專門的研究，進(jìn)行一系列的理論分?jǐn)?shù)、試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，最后提出了一系列的實(shí)用的有效分布寬度的計(jì)算公式。

劉洋[3]對(duì)結(jié)合梁斜拉橋橋面板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析，考慮了相對(duì)滑移，通過(guò)建立函數(shù)研究了組合梁的有效分布寬度，并提出了組合梁有效分布寬度計(jì)算的函數(shù)關(guān)系式。何畏[4]對(duì)組合梁橋面板有效分布寬度進(jìn)行了研究，總結(jié)出了一組可行的計(jì)算公式，同時(shí)也證實(shí)了有效分布寬度的主要影響因素為荷載的類型和混凝土板的寬跨比，而混凝土板的厚度對(duì)組合梁橋面板有效分布寬度的影響比較小。高昊[5]根據(jù)英國(guó)和日本的相關(guān)規(guī)范，分別計(jì)算簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁兩種結(jié)構(gòu)形式在相同跨徑和支撐條件下鋼箱梁橋面板有效寬度。對(duì)比兩國(guó)規(guī)范差異。

1 組合鋼桁梁橋面板有效寬度分析

公路鋼桁梁設(shè)置了供車輛運(yùn)行的橋面板，而橋面板又與鋼桁梁通過(guò)連接件的方式連接形成了整體。在自重、車輛等豎向荷載作用下橋面板與鋼桁架共同受力。當(dāng)橋面板較為薄弱時(shí)，便可能先于鋼桁架首先發(fā)生破壞，此時(shí)橋梁的通行功能受到了影響，而鋼桁架的材料強(qiáng)度也沒(méi)有充分的利用。因此有必要對(duì)鋼桁梁梁橋面板的受力狀態(tài)進(jìn)行研究，控制橋面板在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的應(yīng)力水平，保證其不會(huì)過(guò)早的發(fā)生破壞而導(dǎo)致橋梁失效。

鋼一混凝土組合梁在外力作用下發(fā)生彎曲變形時(shí)，由剪力引起混凝土橋面板內(nèi)的剪應(yīng)變會(huì)給橋面板帶來(lái)剪切變形，使在橋面板寬度范圍內(nèi)的正應(yīng)力分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為“剪力滯效應(yīng)”。為了避免進(jìn)行復(fù)雜的三維模型分析，在組合梁設(shè)計(jì)中通常可將組合梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維梁結(jié)構(gòu)作分析，并假定在組合梁的混凝土橋面板的一定范圍內(nèi)彎曲正應(yīng)力是均勻分布的，這一等效寬度稱為橋面板有效分布寬度。在豎向荷載作用下，混凝土實(shí)腹式梁橋的剪力通常通過(guò)混凝土梁的腹板進(jìn)行傳遞。而對(duì)于空腹式的鋼桁梁來(lái)說(shuō)，其在豎向荷載作用下產(chǎn)生的剪力通常經(jīng)由腹桿進(jìn)行傳遞。而鋼桁梁的腹桿布置是間隔式，每個(gè)腹桿僅在節(jié)點(diǎn)部分與桁架的弦桿相連接。因此鋼桁梁的剪力圖在節(jié)點(diǎn)和節(jié)間存在著顯著的區(qū)別。這也導(dǎo)致了鋼桁梁橋面板的剪力滯效應(yīng)在節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)同樣存在顯著的差別。因此有必要對(duì)鋼桁梁橋面板的有效寬度根據(jù)其在不同桁梁位置分別進(jìn)行研究。同時(shí)鋼桁梁橋面板的有效寬度還與荷載類型以及橋面板自身的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。

本文第2節(jié)便根據(jù)上述影響組合桁梁混凝土橋面板有效寬度的因素建立了有限元模型，進(jìn)行了對(duì)比研究。

2 算例簡(jiǎn)介

本文通過(guò)建立存在不同類型的組合桁梁有限元模型來(lái)對(duì)其橋面板的有效寬度進(jìn)行分析。由于算例分析的組合桁梁跨徑為6.5 m，桁高0.5 m，高跨比為1/13。腹桿采用三角形的warren桁架布置，傾角為55°。桁架弦桿采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。上弦桿直徑為90 mm，壁厚4 mm;下弦桿直徑D=110 mm，壁厚8 mm;腹桿直徑80 mm，壁厚6 mm。桁架兩端豎腹桿進(jìn)行了加強(qiáng)，直徑為90 mm，壁厚8 mm。桁架節(jié)點(diǎn)間隙為30 mm，兩腹桿中線的交線位于節(jié)點(diǎn)中心以下30 mm，節(jié)點(diǎn)正偏心0.27D?；炷翗蛎姘彘L(zhǎng)度與桁架長(zhǎng)度相同，為6.5 m。橋面板寬800 mm，懸臂端板厚40 mm，梗掖處進(jìn)行了加強(qiáng)，厚度最大處為150 mm。 桁架上弦桿埋入混凝土橋面板梗掖處，混凝土橋面板與鋼桁架形成整體共同受力。組合桁梁的尺寸分別如圖1、2所示。

3 有限元模擬分析

本文通過(guò)建立不同類型的組合鋼桁梁有限元模型來(lái)對(duì)其抗彎剛度進(jìn)行分析。采用ABAQUS 建立鋼板組合梁的實(shí)體與板殼結(jié)合的精細(xì)化分析有限元模型。其中橋面板采用實(shí)體單元C3D8R建立，鋼桁架采用殼單元S4R建立。橋面板頂面中心建立一個(gè)參考點(diǎn)用于施加荷載。該參考點(diǎn)與橋面板中心的加載區(qū)域采用剛臂耦合連接，避免混凝土實(shí)體單元由于局部承壓而導(dǎo)致迭代不收斂。采用跨中區(qū)域模擬集中荷載加載P=100 kN。鋼桁梁下弦桿兩端施加簡(jiǎn)支的邊界條件。管內(nèi)混凝土和鋼管內(nèi)壁界面施加接觸（contact）的相互關(guān)系，法向采用硬接觸（hard contact），切向采用庫(kù)倫摩擦（Coulomb friction），摩擦系數(shù)μ=0.6。鋼材等級(jí)為Q345，彈性模量按206 000 MPa計(jì)取，泊松比為0.283?；炷翗?biāo)號(hào)為C40彈性模量按34 500 MPa計(jì)取，泊松比為0.167。混凝土橋面板實(shí)體單元的網(wǎng)格尺寸為100 mm，并在板厚度方向劃分了4層網(wǎng)格，保證實(shí)體單元在受彎時(shí)也具有較好的模擬精度。鋼桁架單元網(wǎng)格尺寸為80 mm。由于本文僅為彈性階段的抗彎剛度進(jìn)行分析，因此材料本構(gòu)關(guān)系中省略了塑性階段的定義，提高分析效率。最終建立的有限元模型如圖3所示。

根據(jù)本文建立的ABAQUS模型，對(duì)組合桁梁橋面板有效寬度進(jìn)行了分析。受彎梁在支點(diǎn)處剪力較大，因此分別提取了跨中斷面以及靠近支座斷面的混凝土截面計(jì)算有效寬度。由于鋼桁梁節(jié)點(diǎn)和節(jié)間也存在差異，因此同樣提取了節(jié)點(diǎn)和節(jié)間的斷面進(jìn)行分析。最終得到了測(cè)試斷面共分為A-A，B-B，C-C和D-D 4個(gè)斷面，如圖1所示。這4個(gè)斷面的橋面板軸向應(yīng)力分布分別如圖4～7所示。

由圖4～7可得位于節(jié)點(diǎn)部位的A-A斷面和D-D斷面橋面板的應(yīng)變變化較大，剪力滯效應(yīng)比較明顯。而位于節(jié)段中間部位的B-B斷面和C-C斷面橋面板縱向應(yīng)變變化不明顯， 說(shuō)明剪力滯效應(yīng)稍弱。因此可得組合桁梁節(jié)點(diǎn)處的橋面板剪力滯效應(yīng)較為明顯，橋面板有效寬度較小，節(jié)間處的橋面板剪力滯效應(yīng)不明顯，橋面板有效寬度較大。由圖7可得，D-D節(jié)點(diǎn)在加載區(qū)域附近，因此橋面板的應(yīng)力分布也受到了影響。這說(shuō)明荷載作用位置及形式也會(huì)影響橋面板的剪力滯效應(yīng)，進(jìn)而改變橋面板在荷載作用區(qū)域下的有效分布寬度。

圖8則給出了各個(gè)測(cè)試斷面的有效分布寬度系數(shù)。有效寬度系數(shù)的定義為橋面板測(cè)試斷面的有效寬度與橋面板實(shí)際寬度（800 mm）的比值，其計(jì)算公式如式（1）所示：

式中，為橋面板有效寬度系數(shù);beff為橋面板有效寬度;b為橋面板實(shí)際寬度。

根據(jù)式（1）的定義可得，剪力滯效應(yīng)越明顯時(shí)，橋面板測(cè)試斷面的有效寬度系數(shù)越小。由圖8可得位于節(jié)點(diǎn)附近的A-A斷面和C-C斷面的有效寬度系數(shù)均較小，分別為0.5和0.65。這說(shuō)明組合鋼桁梁節(jié)點(diǎn)處的剪力滯效應(yīng)明顯。同時(shí)A-A截面更靠近支座，而支座附近的剪力較大，靠近支座節(jié)點(diǎn)截面A-A的剪力滯效應(yīng)比靠近跨中的節(jié)點(diǎn)斷面C-C更為明顯。橋面板B-B截面和D-D截面均位于組合桁梁節(jié)間部位，這兩個(gè)截面的有效寬度系數(shù)較大，分別為0.90和0.85，說(shuō)明剪力滯效應(yīng)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)截面來(lái)說(shuō)不明顯。同時(shí)位于跨中D-D截面的混凝土應(yīng)變分布還受到了外荷載加載的局部影響，因此D-D截面的有效寬度系數(shù)比B-B截面的有效寬度系數(shù)要小一些。這也說(shuō)明了橋面板的剪力滯效應(yīng)還會(huì)受到荷載作用形式的影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)組合鋼桁梁橋面板的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究。采用ABAQUS建立了鋼桁梁的高精度有限元模型，其中橋面板采用實(shí)體單元建立。分析了集中荷載作用下的組合桁梁沿跨徑不同位置下的應(yīng)力分布以及剪力滯效應(yīng)，計(jì)算了對(duì)應(yīng)截面的有效寬度系數(shù)。結(jié)果表明橋面板靠近支點(diǎn)附近的區(qū)域剪力滯效應(yīng)較為顯著，靠近節(jié)間的區(qū)域則不明顯;剪力滯效應(yīng)受到荷載作用形式的影響也不可忽略。

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