雙幅曲線連續(xù)鋼-混組合箱梁剪力滯效應(yīng)的研究

黃海兵， 劉 凡， 袁曉靜

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011； 2.蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，江蘇 蘇州 215011）

鋼混組合箱梁兼具鋼材和混凝土的材料性能優(yōu)勢，具有抗扭剛度大、承載力高、自重輕、施工快速方便等優(yōu)點[1-2]。 曲線鋼混組合箱梁目前已廣泛應(yīng)用在城市高架橋和人行天橋中，組合箱梁在對稱荷載作用下產(chǎn)生撓曲時會發(fā)生剪力滯后的現(xiàn)象，稱之為剪力滯效應(yīng)。 由于剪力滯效應(yīng)的存在，使得組合梁內(nèi)的應(yīng)力并不是均勻分布，往往會引起應(yīng)力高度集中，從而導(dǎo)致安全隱患。

國內(nèi)外對于曲線箱梁剪力滯效應(yīng)已有了一定的研究[3-6]，但對于復(fù)雜截面的曲線組合梁[1]剪力滯效應(yīng)的研究相對較少。 楊秀珍等對連續(xù)曲線鋼箱梁進行了有限元分析研究，得出了曲率半徑對曲線鋼箱梁剪力滯效應(yīng)的影響規(guī)律，曲率半徑越小，截面剪力滯效應(yīng)越明顯，并且曲梁內(nèi)外側(cè)的剪力滯系數(shù)差異越大[7-8]；肖敏和李新平對連續(xù)曲線混凝土箱梁進行了有限元分析，探究了曲率半徑和寬跨比對三跨曲線混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)曲率半徑越大，截面內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)差距越小，當曲率半徑大于300 m 時，截面剪力滯系數(shù)已與直梁相近[9]。

但已有的關(guān)于箱梁橋剪力滯效應(yīng)的研究大多針對混凝土箱梁或鋼箱梁，且直梁偏多，研究方法主要是數(shù)值分析和有限元模擬，缺少相應(yīng)的試驗研究。 目前，鋼-混組合箱梁橋的應(yīng)用越來越廣泛，相關(guān)的試驗研究卻較少，因此本文就不同曲率半徑對復(fù)雜截面雙幅曲線連續(xù)鋼-混組合箱梁剪力滯效應(yīng)進行了試驗研究，得到了有內(nèi)外高低差的雙幅曲線連續(xù)鋼混組合箱梁不同截面的剪力滯效應(yīng)分布規(guī)律。

1 試件設(shè)計

本文基于杭州繞城雙幅曲線連續(xù)鋼-混組合箱梁橋的工程背景， 以曲率半徑為參數(shù)， 設(shè)計了2 個兩跨鋼-混組合曲梁試件，其中CCB-1 曲線梁的曲率半徑為26 m，CCB-2 曲梁的曲率半徑為52 m。 各試驗梁參數(shù)見表1 所列。

表1 試驗梁參數(shù)

每個試驗梁橫截面尺寸及材料均相同。組合梁計算跨度為4.5+4.5 m，一端設(shè)置固定鉸支座，中間橫隔板下設(shè)置活動鉸支座，另一端也為活動鉸支座。 各組合梁中的鋼梁均為開口箱型截面。 整體寬度為1 370 mm，整體高度294 mm，橋面板承重結(jié)構(gòu)采用80 mm 厚的現(xiàn)澆混凝土板，混凝土板寬為1 370 mm。 鋼梁總高為214 mm，上翼緣寬度均為60 mm，下翼緣寬度均為430 mm，腹板厚度均為6 mm，翼緣厚度均為6 mm，兩箱鋼梁跨中間距670 mm，組合梁內(nèi)外箱高差270 mm。 鋼梁與混凝土之間采用栓釘連接，栓釘直徑13 mm，長50 mm，屬于完全連接形式。 鋼梁材質(zhì)為Q345D，混凝土強度等級為C50，組合梁截面示意圖見圖1。

圖1 組合箱梁截面示意圖

2 加載與測量

加載設(shè)備為兩個5 000 kN 液壓千斤頂，兩個鋼墊梁。 加載點均是兩跨的中點。 試驗現(xiàn)場圖如圖2 所示。由于是兩跨對稱梁，取其中一跨進行測試，并在另一跨設(shè)置對照截面，測試位置示意圖見圖3，其中左L/4 截面和左L/2 截面是測試截面，右L/2 和L/4 截面是對照截面。 測點布置在鋼底板、鋼腹板以及混凝土板上，布置示意圖見圖4。

圖2 試驗現(xiàn)場圖

圖3 測試位置圖

圖4 測點布置圖

3 試驗結(jié)果分析

當與腹板交接處的翼板正應(yīng)力值大于按初等梁理論計算的值時，稱之為正剪力滯，反之稱為負剪力滯。用剪力滯系數(shù)來反映剪力滯效應(yīng)的嚴重程度，它代表著翼板應(yīng)力分布的不均勻程度，剪力滯系數(shù)λ，即

已有的關(guān)于鋼混組合曲梁剪力滯效應(yīng)的研究更多的是在彈性階段，本文考慮到組合梁進入塑性階段后的應(yīng)力更能體現(xiàn)實際工程中要求的最大應(yīng)力狀態(tài)，因此選取試驗梁剛進入塑性階段的荷載815 kN 下的各測試截面進行分析，并把高的一箱的外腹板稱為外側(cè)，低的一箱為內(nèi)側(cè)。

圖5 給出了CCB-1 和CCB-2 試件左L/4 截面上混凝土板與鋼梁底板的剪力滯系數(shù)。 從圖5（a）可以看出，CCB-1 和CCB-2 的左L/4 截面上混凝土板的剪力滯系數(shù)均是內(nèi)測大外側(cè)小， 在混凝土翼板與腹板交接處均是負剪力滯，兩箱均是外側(cè)負剪力滯更嚴重，CCB-1 最大負剪力滯系數(shù)為0.59，CCB-2 最大負剪力滯系數(shù)為0.79，這是由于組合梁內(nèi)外高低差的存在，在L/4 截面處較低的內(nèi)側(cè)混凝土的壓應(yīng)力相比外側(cè)更大。 整體上，CCB-2 的剪力滯系數(shù)分布曲線要比CCB-1 平緩得多，CCB-2 的左L/4 截面上混凝土板的應(yīng)力分布更加均勻。

從圖5（b）可以看出，CCB-2 的左L/4 截面鋼梁底板的剪力滯系數(shù)與CCB-1 相比差異較大，CCB-2 的最大正剪力滯發(fā)生在外箱外側(cè)的1 號測點，最大剪力滯系數(shù)為1.11；而CCB-1 的最大正剪力滯發(fā)生在中間偏外側(cè)的2 號測點上，最大剪力滯系數(shù)為1.2，這是因為CCB-1 的彎扭較大，致使鋼底板最大應(yīng)力位置產(chǎn)生了偏移。整體上，CCB-2 各箱底板剪力滯系數(shù)基本呈線性分布，且與CCB-1 相比更加平緩。上述CCB-2 曲率半徑大，彎扭耦合效應(yīng)比CCB-1 小，截面正應(yīng)力受剪切應(yīng)力流的影響就相對較小。 表2 列出了組合梁L/4 截面翼板與腹板交接處的剪力滯系數(shù)，并按由外到內(nèi)依次命名為外箱外側(cè)、外箱內(nèi)側(cè)、內(nèi)箱外側(cè)、內(nèi)箱內(nèi)側(cè)。

表2 L/4 截面翼腹板交接處剪力滯系數(shù)

圖5 CCB-1、CCB-2 試件左L/4 截面剪力滯系數(shù)圖

圖6 給出了CCB-1 和CCB-2 試件左L/2 截面上混凝土板與鋼梁底板的剪力滯系數(shù)。 從圖6（a）可以看出，CCB-1 和CCB-2 的左L/2 截面上混凝土板的剪力滯系數(shù)分布也是外側(cè)大內(nèi)側(cè)小， 在混凝土翼板與腹板交接處均是正剪力滯，兩箱均是外側(cè)正剪力滯更嚴重，其中CCB-1 最大正剪力滯系數(shù)為1.46，CCB-2 最大正剪力滯系數(shù)為1.26，這一點與L/4 截面處相反。整體上CCB-2 混凝土翼板的剪力滯系數(shù)分布更加均勻。從圖6（b）可以看出CCB-2 的各測點剪力滯系數(shù)差值比CCB-1 小，CCB-1 和CCB-2 的各箱底板內(nèi)側(cè)剪力滯系數(shù)差異較大，CCB-1 為負剪力滯，剪力滯系數(shù)為0.96，而CCB-2 為正剪力滯，剪力滯系數(shù)為1.03。 兩箱鋼底板最大負剪力滯均發(fā)生在中間偏內(nèi)測的第4（9）號測點。 造成上述現(xiàn)象的原因有兩點：一是CCB-2 的曲率半徑大，截面正應(yīng)力分布相對較均勻；二是由于截面內(nèi)外箱高低差的存在，加劇了曲梁的彎扭耦合作用。表3列出了組合梁L/2 截面翼板與腹板交接處的剪力滯系數(shù)，并按由外到內(nèi)依次命名為外箱外側(cè)、外箱內(nèi)側(cè)、內(nèi)箱外側(cè)、內(nèi)箱內(nèi)側(cè)

圖6 CCB-1、CCB-2 試件左L/2 截面剪力滯系數(shù)圖

表3 L/2 截面翼腹板交接處剪力滯系數(shù)

綜上所述，曲率半徑對鋼混組合梁的剪力滯效應(yīng)影響較大，曲率半徑越大，內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)差值越小，截面應(yīng)力分布越均勻。從圖5、圖6 均可以看出組合梁鋼底板的剪力滯效應(yīng)要比混凝土板的剪力滯效應(yīng)小得多。 對于有內(nèi)外高差的復(fù)雜組合截面，曲梁的彎扭耦合作用會更大，剪力滯效應(yīng)也越明顯，甚至出現(xiàn)CCB-1和CCB-2 各箱內(nèi)側(cè)剪力滯相反的情況，這一點在實際工程中不容忽視。 從文獻[9]、[11]和[12]中可以看出，截面形式對稱的直梁剪力滯效應(yīng)是對稱的，而本文曲梁的剪力滯效應(yīng)會偏向一側(cè)。 而且曲率半徑越小，組合曲梁剪力滯效應(yīng)越大，內(nèi)外側(cè)剪力滯系數(shù)差值越大，截面應(yīng)力分布越不均勻。 因此，在實際工程中形如高架橋出入口的彎車道要特別注意剪力滯效應(yīng)的影響。

4 結(jié)論

通過試驗研究，可得到以下結(jié)論：

（1）對鋼混組合曲梁而言，考慮剪力滯效應(yīng)是十分必要的。 從試驗結(jié)果與初等梁理論結(jié)果的對比中可以看出，若不考慮剪力滯效應(yīng)會嚴重低估組合梁中實際的應(yīng)力，特別是在翼板與腹板交接處的應(yīng)力，考慮剪力滯效應(yīng)值是初等梁理論值的1.46 倍，在實際工程中很可能會發(fā)生過早地屈服，造成安全事故。

（2）有內(nèi)外高低差的組合曲梁剪力滯效應(yīng)更嚴重，這說明在實際工程中要針對不同的組合曲梁截面形式進行具體分析，找到最大應(yīng)力處，避免意外發(fā)生。