大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板有效寬度分析

張曉東　張克躍　翁雪峰

(中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng)　550001)

0　引言

對(duì)于大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板的體系分析，本質(zhì)上屬于材料力學(xué)的范疇，其關(guān)鍵在于確定翼板的有效寬度[1]。作為一種新型結(jié)構(gòu)，目前關(guān)于該類結(jié)構(gòu)基本力學(xué)特性的研究較少。并且在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，常采用忽略剪力滯效應(yīng)影響的做法，這樣將會(huì)低估腹板和翼板交接處的撓度和應(yīng)力，從而導(dǎo)致部分梁橋出現(xiàn)橫向裂縫，直接危及橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。大多研究者發(fā)現(xiàn)[2]：有效寬度在結(jié)構(gòu)的截面特征參數(shù)中起著重要的作用，通過(guò)合理的有效寬度取值考慮剪力滯效應(yīng)的影響確保計(jì)算準(zhǔn)確性。

1　有效寬度的分析與計(jì)算方法

1.1　有限元法

在鋼—混組合結(jié)構(gòu)中，梁和板經(jīng)過(guò)一定方式連接而共同作用，它們的受力并不是簡(jiǎn)單相加兩者的受力性能，它們?cè)诟髯缘目臻g方向的作用是不能忽視的，有限元空間分析[3]大多采用ANSYS軟件，它的分析步驟是：

1)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，利用網(wǎng)格把分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割。

2)求解唯一關(guān)系，分析計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

3)疊加換成整體的剛度矩陣。

4)加載。

5)確定單元的邊界。

6)求解，計(jì)算位移。

7)對(duì)單元做循環(huán)，計(jì)算出單元的力。

1.2　有效寬度的計(jì)算

有效寬度be的計(jì)算圖如圖1所示。

根據(jù)截面上合力等效的原則混凝土橫截面上壓力的合力為：

(1)

最大應(yīng)力處即鋼梁腹板與混凝土板翼緣交界處：

(2)

由組合梁翼緣有效寬度定義方法，為使混凝土中合力不變，即：

F=σmaxbe

(3)

聯(lián)立以上三式得：

(4)

而另外一種定義則不在Y方向做積分：

(5)

考慮到混凝土本構(gòu)的復(fù)雜性，以及積分計(jì)算的難度，目前通常采用式(1)～式(5)來(lái)對(duì)組合梁有效寬度進(jìn)行計(jì)算。

綜合考慮有限元法的思想，認(rèn)為只要翼板混凝土網(wǎng)格劃分的精度夠高，那么有限元分析出的結(jié)果的精確度是達(dá)到要求的[4]。

2　有限元模型的建立與分析

2.1　模型參數(shù)

運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立了有限元模型，各個(gè)部件主要材料見(jiàn)表1，具體的幾何尺寸見(jiàn)表2。

在計(jì)算模型上，利用子模型法，進(jìn)行邊界切割，讀取該部分邊界在整體中的邊界條件。該方法可以使局部的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，而且降低了計(jì)算量。切割出來(lái)的子模型b為4 m，同時(shí)對(duì)切割出來(lái)的子模型的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，具體如仿真模型見(jiàn)圖2，子模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

表1　材料主要物理指標(biāo)

表2　各組成構(gòu)件的尺寸

2.2　有效寬度影響因素

為了研究分析荷載類型與沿跨方向?qū)Υ罂v肋正交異性鋼—RPC組合橋面板翼板有效寬度的影響，選擇了3種不同的加載方式，如圖4所示。沿跨方向選擇分別計(jì)算1/8～7/8截面的有效寬度。寬跨比選擇了0.1～0.8，其中子模型的寬度保持不變，改變跨度來(lái)改變寬跨比。在加載的時(shí)候，通過(guò)一步步加載，直到混凝土壓碎破壞，而極限荷載以混凝土達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)抗壓值為標(biāo)志。

2.3　影響因素規(guī)律分析

為便于闡述各種荷載形式下大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板翼緣有效寬度的變化，引入有效寬度比α指標(biāo)：表示有效寬度be與組合梁實(shí)際寬度b的比值。α越小說(shuō)明剪力滯效應(yīng)越明顯，應(yīng)力越集中，反之，則不明顯。

本文通過(guò)加載3種不同類型的荷載形式，如圖4所示，分別是線性均布荷載、腹板跨中集中荷載、腹板1/4和3/4對(duì)稱四分點(diǎn)荷載。為了研究在沿跨方向上，該結(jié)構(gòu)有效翼緣寬度的規(guī)律，我們分別對(duì)1/8～7/8沿跨斷面進(jìn)行計(jì)算對(duì)比研究，同時(shí)對(duì)寬跨比也做了分析。

由圖5可知，在均布荷載作用下，大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板翼緣有效寬度在同種寬跨比的條件下沿跨方向呈“鐘形”變化，變化均勻平滑，先增大后減小，在跨中處應(yīng)力集中最明顯。

由圖6可知，在跨中集中荷載的作用下，大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板翼緣有效寬度沿跨方向呈“M”形變化，其在1/4截面和3/4截面的加載處取得最大值，在跨中位置取得最小值。

由圖7可知，在對(duì)稱四分點(diǎn)荷載的作用下，大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板翼緣有效寬度沿跨方向呈“W”形變化。

同時(shí)由圖5～圖7綜合可以看出，在各個(gè)類型荷載的作用下，寬跨比增大時(shí)，大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板的有效寬度不斷的降低，應(yīng)力越來(lái)越集中。

3　結(jié)語(yǔ)

1)寬跨比對(duì)大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板翼緣有效寬度的影響較為突出，隨著寬跨比的增加，有效寬度不斷減少，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。

2)不同的荷載類型對(duì)大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板有效寬度的影響不同，但是，相同荷載作用下的有效寬度變化趨勢(shì)還是大體一致；對(duì)均布荷載，在跨中有效寬度最??；對(duì)集中荷載，在荷載作用處有效寬度最小。

3)在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，有必要根據(jù)結(jié)構(gòu)承受荷載類型對(duì)正交異性鋼—RPC組合橋面板的有效寬度加以考慮。