組合鋼桁梁橋面板剪力滯效應(yīng)分析

侯 寧

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)院研究院有限公司，陜西 西安 710075）

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，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]。劉洋[2]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。何畏和強(qiáng)士中[3]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。高昊等[4]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。

1 組合鋼桁梁橋面板有效寬度分析

鋼-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)”。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(lèi)型以及橋面板自身的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。

2 算例簡(jiǎn)介

通過(guò)建立存在不同類(lèi)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。用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 m×4 mm；下弦桿直徑110 mm×8 mm；腹 桿 直 徑80 mm×6 mm。桁架節(jié)點(diǎn)間隙為30 mm?；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。組合桁梁的尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 組合鋼桁梁/mm

3 有限元模擬分析

通過(guò)建立不同類(lèi)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[5]。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。加載面與1個(gè)參考點(diǎn)耦合連接，并在參考點(diǎn)施加豎向位移d=30 mm。 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)壁界面施加接觸的相互關(guān)系，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?；炷翗蛎姘鍖?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。最終建立的有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 鋼板組合梁ABAQUS有限元模型

因受彎梁在支點(diǎn)處剪力較大，故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，斷面縱向應(yīng)力分布見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 橋面板A-A斷面縱向應(yīng)力分布

圖4 橋面板B-B斷面縱向應(yīng)力分布

圖5 橋面板C-C斷面縱向應(yīng)力分布

圖6 橋面板D-D斷面縱向應(yīng)力分布

由圖3～圖6可以看出，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6可得，D-D節(jié)點(diǎn)在加載區(qū)域附近，故橋面板的應(yīng)力分布也受到了影響，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。

有效寬度系數(shù)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）比值：

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

橋面板的有效寬度beff可以按照沿橋面板寬度方向的縱向應(yīng)力的積分值與縱向應(yīng)力峰值的比值確定。各測(cè)試斷面的有效分布寬度系數(shù)見(jiàn)圖7。根據(jù)公式（1）的定義可得，剪力滯效應(yīng)越明顯，橋面板測(cè)試斷面的有效寬度系數(shù)越小。

圖7 各測(cè)試斷面橋面板縱向應(yīng)變分布

由圖7可得：（1）位于節(jié)點(diǎn)附近的A-A斷面和D-D斷面的有效寬度系數(shù)均較小，分別為0.50和0.65，說(shuō)明組合鋼桁梁節(jié)點(diǎn)處的剪力滯效應(yīng)明顯。（2）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D-D更為明顯。（3）橋面板B-B截面和C-C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。（4）位于跨中C-C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，故C-C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，說(shuō)明了橋面板的剪力滯效應(yīng)還會(huì)受到荷載作用影響。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)有限元結(jié)果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)，提出了適用于有限元橋面板有效寬度計(jì)算方法，并計(jì)算了對(duì)應(yīng)截面的有效寬度系數(shù)。（2）橋面板靠近支點(diǎn)附近的區(qū)域剪力滯效應(yīng)較為顯著，橋面板有效寬度系數(shù)在0.50～0.65左右，靠近節(jié)間的區(qū)域則不明顯橋面板有效寬度系數(shù)在0.85～0.90左右。（3）剪力滯效應(yīng)受到荷載作用形式的影響不可忽略，集中荷載作用于橋面板時(shí)，其有效寬度系數(shù)有所降低。