簡(jiǎn)支鋼—混組合箱梁剪力滯效應(yīng)研究

武彥池

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710018）

0 引言

鋼—混凝土組合箱梁是由鋼箱通過剪力鍵與混凝土板組合而成，在外荷載作用下,組合梁除發(fā)生拉壓、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)變形外,還發(fā)生扭轉(zhuǎn)翹曲和剪力滯變形[1]。由于剪力滯現(xiàn)象的存在,用普通梁彎曲理論計(jì)算得到的應(yīng)力與考慮剪力滯效應(yīng)得出的結(jié)果有較大的出入,尤其在翼板與腹板交接處的應(yīng)力相差更明顯[2]。孫飛飛等[3-4]推導(dǎo)了考慮滑移、剪力滯后和剪切變形的鋼—混凝土組合梁解析解，并通過簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)假設(shè)，提出了相應(yīng)的鋼—混組合梁位移法單元；程海根等[2]根據(jù)組合翼板微元的變形協(xié)調(diào)條件和平衡條件，采用虛功原理得到了用級(jí)數(shù)表示的應(yīng)力解；堯云濤等[1]以最小勢(shì)能原理為基礎(chǔ)，提出了一種計(jì)算精度高、計(jì)算量小的梁段單元，并推導(dǎo)了單元?jiǎng)偠染仃嚒⒌刃Ч?jié)點(diǎn)荷載列陣。本文在以上研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS軟件建立了考慮剪力滯后、剪切變形、材料和幾何非線性的鋼—混凝土組合箱梁三維數(shù)值模型，分析了寬跨比對(duì)箱梁剪力滯和鋼—混凝土交界面相對(duì)滑移的影響，以及滑移剛度和荷載形式對(duì)組合箱梁剪力滯效應(yīng)的影響，為完善規(guī)范關(guān)于組合箱梁和類似工程剪力滯系數(shù)的計(jì)算提供參考。

1 數(shù)值模型

本文參照文獻(xiàn)[5]中的一根2.8 m長(zhǎng)的簡(jiǎn)支組合箱型梁，建立了考慮寬跨比、滑移剛度、剪力滯后和剪切變形的空間力學(xué)模型進(jìn)行有限元分析，組合箱梁截面尺寸和計(jì)算模型如圖1所示。在空間分析模型中，混凝土板采用SOLID65實(shí)體單元模擬，厚度較薄的鋼箱梁采用殼單元（SHELL43）模擬，縱向鋼筋采用LINK8單元模擬；文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn)：由于剪力鍵受到剪切作用而變形，無論是完全抗剪連接還是部分抗剪連接，鋼梁與混凝土間都存在不同程度的滑移，而ANSYS軟件中COMBIN39非線性彈簧單元可以很方便地模擬界面上的剪力—滑移關(guān)系[7]。三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 組合梁截面和數(shù)值模型圖

混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用應(yīng)用Hongnestad建議表達(dá)式[8]：

混凝土破壞準(zhǔn)則采用基于Willam-Warnke強(qiáng)度理論的五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化（BKIN）模型，鋼材屈服后的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為平緩的斜直線，其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系唯一，有利于收斂[9]。

模型荷載作用分為跨中集中和均布荷載，對(duì)應(yīng)條件下集中和均布荷載的作用值相等。

2 剪力滯效應(yīng)分析

根據(jù)鋼—混凝土組合箱梁在正常使用階段的實(shí)際工作狀態(tài)，通過改變鋼—混凝土組合箱梁的寬跨比、滑移剛度、荷載大小以及荷載形式等參數(shù)，分別得到相應(yīng)參數(shù)變化與組合梁力學(xué)行為的變化關(guān)系。

2.1 寬跨比的影響

在分析寬跨比的影響過程中，假設(shè)在跨中橫向?qū)ΨQ集中荷載（P=30 kN）作用下，通過改變混凝土頂板寬度，使得寬跨比 r=0.3、0.4、0.5、0.6 時(shí)，鋼—混凝土組合箱梁的混凝土頂板與鋼箱底板的剪力滯效應(yīng)及相對(duì)滑移的變化。

2.1.1 寬跨比對(duì)頂、底板剪力滯的影響

在不同寬跨比下，在混凝土頂板、鋼箱底板上剪力滯系數(shù)沿跨中截面和L/4截面橫向的分布規(guī)律分別見如圖2和圖3所示。

圖2 混凝土頂板剪力滯系數(shù)橫向分布圖

圖3 鋼箱底板剪力滯系數(shù)橫向分布圖

由圖2和圖3可知，混凝土頂板和鋼箱底板剪力滯系數(shù)隨著寬跨比的增大而增大，即當(dāng)翼緣板寬度增大時(shí)，其遠(yuǎn)離梁肋處的翼緣板因剪切扭轉(zhuǎn)而發(fā)生變形，從而不參與承彎工作，靠近梁肋處受壓翼緣上的壓應(yīng)力隨著寬跨比的增大而越加明顯；另外，L/4截面的剪力滯橫向分布曲線明顯較跨中截面平緩，說明剪力滯效應(yīng)受荷載作用位置的影響，且距離荷載作用位置越近，剪力滯效應(yīng)越明顯。

2.1.2 寬跨比對(duì)交界面縱向滑移的影響

鋼—混凝土組合箱梁的混凝土頂板和鋼箱由柔性連接件連接，在外荷載作用下，其交界面不可避免會(huì)發(fā)生縱向相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，會(huì)直接影響鋼混組合箱梁的工作，因此有必要分析寬跨比對(duì)交界面縱向滑移的影響。縱向滑移分析過程中，忽略了組合梁交界面的橫向滑移，跨中集中荷載（P=30 kN）作用下寬跨比對(duì)連接件的最大相對(duì)位移的影響如圖4所示。

圖4 集中荷載作用下交界面縱向滑移量

由圖4可以看出，在外荷載作用下鋼箱和混凝土頂板并不是完全共同作用，而是兩者之間存在一定的滑移，而且隨著寬跨比的增大，相對(duì)滑移量也隨之增大；另外，圖4中的變化曲線除跨中（1.4 m）為零外，其他位置幾乎呈水平狀，這說明組合梁跨中位置沒有發(fā)生相對(duì)滑移，其他位置的相對(duì)滑移量沿梁長(zhǎng)變化很小。

2.2 滑移剛度對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響

通過改變非線性彈簧單元的實(shí)常數(shù)來研究彈簧剪切滑移剛度對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響，滑移剛度對(duì)鋼箱底板和混凝土頂板的剪力滯效應(yīng)都有不同程度的影響。由圖5可知，隨著滑移剛度的增大，混凝土頂板和鋼梁底板的剪力滯效應(yīng)都具有增大的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)論基本一致。

圖5 集中荷載下滑移剛度對(duì)剪力滯系數(shù)的影響

2.3 荷載大小對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響

由圖6可知，在豎向集中荷載作用值的大小對(duì)混凝土頂板和鋼箱底板的剪應(yīng)力分布影響不大，隨著荷載作用的增大，混凝土板和鋼底板的剪力滯系數(shù)略顯增大，P=30 kN和P=90 kN作用下混凝土頂板與鋼箱底板對(duì)應(yīng)的剪力滯系數(shù)最大差僅為1.0%與1.6%。

圖6 荷載大小對(duì)剪力滯系數(shù)的影響

2.4 荷載類型對(duì)鋼混組合箱梁剪力滯效應(yīng)的影響

在集中荷載（P=109 kN）和同等大小的均布荷載作用下，不同荷載類型下的剪力滯系數(shù)沿橫截面和梁長(zhǎng)方向的變化曲線如圖7和圖8所示。

圖7 不同類型荷載作用下跨中截面的剪力滯效應(yīng)

根據(jù)圖7可以看出，在跨中集中荷載作用下，頂板和底板靠近梁肋處的剪力滯系數(shù)大于同等大小均布荷載對(duì)應(yīng)的剪力滯系數(shù)；但隨著與梁肋距離的增大，底板處均布荷載對(duì)應(yīng)的剪力滯系數(shù)可能會(huì)大于集中荷載作用效應(yīng)。

圖8 剪力滯系數(shù)沿梁縱向的變化

從圖8可以看出，跨中集中和均布荷載下鋼—混凝土組合箱梁的剪力滯系數(shù)沿梁長(zhǎng)的分布規(guī)律明顯不同，集中荷載作用下的最大剪力滯系數(shù)出現(xiàn)在作用點(diǎn)處，而均布荷載的則出現(xiàn)在支座附近；圖8中a還表明，豎向集中荷載作用下剪力滯效應(yīng)發(fā)生在有限的作用范圍內(nèi)，距離荷載作用點(diǎn)越近，剪力滯效應(yīng)越強(qiáng)，且當(dāng)達(dá)到距離一定程度時(shí)，剪力滯效應(yīng)將趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過空間有限元模型分析了不同參數(shù)對(duì)簡(jiǎn)支鋼—混凝土組合箱梁的剪力滯效應(yīng)的影響，得出以下結(jié)論：

a）混凝土頂板和鋼箱底板剪力滯系數(shù)隨著寬跨比的增大而增大。

b）豎向集中荷載作用下的剪力滯效應(yīng)與其作用位置有關(guān)，距離荷載作用位置越近，剪力滯效應(yīng)越明顯；但集中荷載作用大小對(duì)混凝土頂板和鋼梁底板的剪力滯系數(shù)影響不大。

c）隨著滑移剛度的增大，混凝土頂板和鋼梁底板的剪力滯效應(yīng)都具有增大的趨勢(shì)。

d）荷載類型對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響較大，跨中集中荷載作用下頂板和底板的剪力滯效應(yīng)較均布荷載明顯，集中荷載作用下的最大剪力滯系數(shù)出現(xiàn)在作用點(diǎn)處，而均布荷載作用時(shí)則出現(xiàn)在支座附近。