鋼管混凝土桁梁橋的剪力滯效應(yīng)分析

李 暢， 鄭凱鋒， 滕 樂， 衡俊霖

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-09-27

鋼管混凝土構(gòu)件有著強(qiáng)度高、延性好、施工便捷等優(yōu)良性能，采用鋼管混凝土桁架代替混凝土箱梁的腹板和底板，形成了由混凝土頂板、鋼管混凝土桁架共同受力的結(jié)構(gòu)體系[1]。1996年建成的廣東南海紫洞大橋首次采用了鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)，主橋跨度達(dá)140 m。隨后建成的重慶萬安大橋、重慶萬州大橋、湖北向家壩大橋又分別在斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、連續(xù)梁橋的主梁中采用了鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)。2012年建成的雅西高速公路干海子大橋是對鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)的一次突破性應(yīng)用，采用中等跨徑的連續(xù)剛構(gòu)與連續(xù)梁組成的混合橋型，全長達(dá)1.8 km[2]。

1 空間有限元模型的建立

1.1 工程概況

某鋼管混凝土桁架梁橋采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑的40 m簡支結(jié)構(gòu)，橋?qū)挒?2.15 m，梁高為4.2 m。梁體由主要承載的鋼管混凝土主桁梁與其上的鋼-混凝土組合橋面板組成。下弦鋼管直徑為670 mm，壁厚24 mm，腹桿直徑為402 mm，壁厚由支座處18 mm依次變化到跨中12 mm。橋面板是在6 mm厚的底鋼板上澆筑C40高抗裂低收縮鋼纖維混凝土，二者通過開孔鋼板剪力鍵和穿孔鋼筋剪力鍵形成鋼-混凝土組合橋面板，底鋼板既為受力構(gòu)件，又是澆筑混凝土?xí)r的底模，橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度為150 mm，有橫肋處厚度為350 mm，縱肋處高度為700 mm。橋梁立面和截面尺寸分別如圖1、圖2所示。

圖1 某橋立面布置(單位： mm)

(a) 標(biāo)準(zhǔn)斷面

(b)橫梁斷面圖2 某橋橫斷面(單位： mm)

1.2 有限元模型

MIDAS/FEA是土木領(lǐng)域?qū)Ｓ玫姆蔷€性分析與詳細(xì)分析軟件[3]，本模型采用此軟件進(jìn)行建模。頂板混凝土和鋼管內(nèi)混凝土采用實體單元模擬，橋面鋼底板和鋼管采用板殼單元模擬，鋼管和鋼管內(nèi)混凝土不考慮滑移的影響。主梁橋面板采用C40混凝土，彈性模量3.25×104MPa，容重2.5 t/m3；鋼管采用Q345C，彈性模量2.06×105MPa，容重7.85 t/m3?？臻g有限元模型如圖3所示，總共有330 178個節(jié)點(diǎn)，415 594個單元。

圖3 全橋有限元計算模型

2 剪力滯效應(yīng)分析

工程上一般用剪力滯系數(shù)λ來衡量頂板正應(yīng)力沿橫向的不均勻程度，通常定義為梁的實際彎曲應(yīng)力與按初等梁理論得到的彎曲應(yīng)力的比值[4]：

(1)

式中：σmax為考慮剪切變形求得的截面最大正應(yīng)力(一般指腹板位置對應(yīng)的頂?shù)装逭龖?yīng)力)；σ0為按初等梁理論求得的截面正應(yīng)力。由于組合桁梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用初等梁理論較難準(zhǔn)確求出截面正應(yīng)力。本文用截面正應(yīng)力沿橫向的平均值來代替σ0。

當(dāng)λ>1時，為正剪力滯效應(yīng)，當(dāng)λ<1時，為負(fù)剪力滯效應(yīng)。

2.1 均布荷載作用下剪力滯效應(yīng)橫向變化規(guī)律

為研究節(jié)點(diǎn)區(qū)域復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的規(guī)律，詳細(xì)分析節(jié)點(diǎn)區(qū)域的截面，截面編號及位置如圖4所示。E截面為節(jié)點(diǎn)中心位置，A、B、C、D截面位于節(jié)點(diǎn)靠近受壓腹桿一側(cè)，F(xiàn)、G、H、I截面則位于節(jié)點(diǎn)靠近受拉腹桿一側(cè)。

圖4 截面編號及位置

各截面的剪力滯效應(yīng)如圖5所示?？拷?jié)點(diǎn)的D、E、F截面出現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng)，其余截面則表現(xiàn)為正剪力滯效應(yīng)。其中，節(jié)點(diǎn)中心的E截面負(fù)剪力滯效應(yīng)水平最高，越往兩側(cè)其負(fù)剪力滯效應(yīng)水平逐漸降低并過度到正剪力滯效應(yīng)，節(jié)間跨中截面的剪力滯系數(shù)最大為1.12。

(a) 截面A～E

(b) 截面E～I(xiàn)圖5 各截面剪力滯系數(shù)橫向分布

2.2 剪力滯效應(yīng)縱向變化規(guī)律

為了深入研究剪力滯效應(yīng)沿整個橋長方向的變化規(guī)律，分別分析了在集中荷載沿橋縱向移動時相應(yīng)的受載截面和均布荷載作用下各截面的剪力滯系數(shù)[5]。

如圖6所示，集中荷載作用時，在每個節(jié)點(diǎn)位置剪力滯系數(shù)都有明顯的下降，除開節(jié)點(diǎn)位置，橫截面的剪力滯系數(shù)從橋跨L/4到橋跨3L/4范圍內(nèi)變化不大?？紤]到節(jié)點(diǎn)位置的剪力滯系數(shù)是降低的，可以近似取這部分為相同值1.51，從四分點(diǎn)到支座處剪力滯系數(shù)增長較快。

圖6 集中荷載作用下各截面剪力滯系數(shù)變化

如圖7所示，均布荷載作用時，同集中荷載作用規(guī)律類似，即在節(jié)點(diǎn)位置處剪力滯系數(shù)都有不同程度的降低，不同的是均布荷載作用下節(jié)點(diǎn)位置的剪力滯系數(shù)都小于1，即表現(xiàn)為負(fù)剪力滯效應(yīng)，且越靠近端點(diǎn)位置，其負(fù)剪力滯效應(yīng)越明顯，最低為0.23。遠(yuǎn)離支座附近的剪力滯系數(shù)在0.67～1.15之間。

圖7 均布荷載作用下各截面剪力滯系數(shù)變化

3 結(jié)束語

以某鋼管混凝土桁梁橋為背景建立空間有限元模型，研究該橋在集中荷載和均布荷載作用下的剪力滯效應(yīng)，得到以下結(jié)論：

(1)鋼管混凝土桁梁橋在豎向荷載作用下，全橋各截面均出現(xiàn)了正應(yīng)力不均勻分布現(xiàn)象，其中橋面板在節(jié)間表現(xiàn)為正剪力滯效應(yīng)，節(jié)點(diǎn)處表現(xiàn)為負(fù)剪力滯效應(yīng)。

(2)集中荷載越接近支點(diǎn)附近作用時，剪力滯系數(shù)越大，在左四分點(diǎn)到右四分點(diǎn)范圍內(nèi)變化不大。

(3)均布荷載的分布規(guī)律同集中荷載相似，但剪力滯系數(shù)均較集中荷載作用時小。

[1] 張聯(lián)燕,李澤生,程懋方.鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2] 陳寶春,牟廷敏,陳宜言,等.我國鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁研究進(jìn)展及工程應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)報,2013(S1):1-10.

[3] 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司. FEA用戶手冊第二冊-分析與計算原理[Z].

[4] 韋成龍,曾慶元,劉小燕.板桁結(jié)合梁剪滯效應(yīng)分析的有限段法[J].橋梁建設(shè),2000(3):11-13.

[5] 吳文清,萬水,葉見曙，等.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應(yīng)的空間有限元分析[J].土木工程學(xué)報, 2004, 37(9): 31-36.