長(zhǎng)期荷載作用下鋼-混凝土組合梁的撓度計(jì)算與分析

冀偉 孫斌 白倩 羅奎

摘要：為科學(xué)合理計(jì)算鋼-混組合梁在長(zhǎng)期荷載作用下的撓度，綜合考慮鋼梁與混凝土橋面板層間滑移效應(yīng)、鋼-混組合梁全截面剪切變形及混凝土橋面板收縮徐變的影響，運(yùn)用能量變分法推導(dǎo)出鋼-混組合梁撓度計(jì)算的控制微分方程.引入均布荷載作用下簡(jiǎn)支和兩跨連續(xù)鋼-混組合梁的自然邊界條件，求解出了鋼-混組合梁在這兩種邊界條件下的撓度計(jì)算公式.計(jì)算公式的可靠性得到了實(shí)測(cè)值和有限元值的驗(yàn)證.研究結(jié)果表明：考慮剪切變形與層間滑移后，兩跨連續(xù)鋼-混組合梁跨中最大撓度計(jì)算值相對(duì)于初等梁理論增大37.4%，而同時(shí)考慮混凝土收縮徐變后其撓度計(jì)算值增大58%；簡(jiǎn)支鋼-混組合梁考慮混凝土的收縮徐變后撓度計(jì)算值相對(duì)于初等梁理論增大1.55倍，可見混凝土的收縮徐變效應(yīng)對(duì)鋼-混組合梁的撓度影響較大.研究成果可為實(shí)際工程中鋼-混組合梁在長(zhǎng)期荷載作用下的撓度計(jì)算提供理論依據(jù).

關(guān)鍵詞：鋼-混組合梁；收縮徐變；長(zhǎng)期性能；層間滑移；撓度分析

中圖分類號(hào)：U448.216文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51708269，51868039），National Natural Science Foundation of China（51708269，51868039）；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2018M643766），China Postdoctoral Science Foundation（2018M643766）；蘭州交通大學(xué)“百名青年優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃”基金資助項(xiàng)目

Calculation and Analysis of Deflection for Steel-concrete Composite Girder under Long-term Loads

JI Wei1，SUN Bin2，BAI Qian1，LUO Kui1

（1. College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China；2. Chongqing Railway Group Co Ltd，Chongqing 401120，China）

Abstract：In order to accurately calculate the deflection of steel-concrete composite girders under long-term loads，considering the shear deformation of composite girder，slip effect at the steel-concrete interface and shrinkage and creep of the concrete slab，the equilibrium differential equations for calculating the deflections of steel-concrete composite girder are derived by using the energy variational method. By introducing the boundary conditions on the simply supported and continuous composite girders under uniformly distributed load，the deflection calculation formu-las can be obtained. The reliability of the calculation formulas is verified by comparing the experimental results and the results of finite element analyses. The results show that maximum deflection of two-span continuous composite girder considering shear deformation and interlayer slip increases by 37.4% when compared with the results from pri-mary beam theory，and the deflection increases by 58% after considering the shrinkage and creep of concrete. The calculated maximum deflection of simply supported composite girder after considering the shrinkage and creep of con-crete is 1.55 times larger than that of the primary beam theory. It can be seen that shrinkage and creep can have a sig-nificant influence on the girder’s deflection. The research results can provide a theoretical basis for the deflection cal-culation of steel-concrete composite girders under the long-term loads.

Key words：steel-concrete composite girder；shrinkage and creep；long-term behavior；interfacial slip；deflec-tion analysis

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮混凝土與鋼材各自的優(yōu)點(diǎn)，即混凝土主要抗壓，鋼材主要抗拉，結(jié)構(gòu)受力較為合理.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)特別適用于裝配式中等跨徑橋梁及快速施工的橋梁[1].在實(shí)際工程中，鋼與混凝土的連接常采用剪力連接件，剪力連接件的變形會(huì)引起鋼梁與混凝土板的界面滑移，降低組合梁整體剛度，從而產(chǎn)生附加變形.此外，鋼-混凝土組合梁在長(zhǎng)期荷載作用下，由于混凝土收縮徐變的影響，其撓度會(huì)隨時(shí)間增加而增大，而梁變形過大會(huì)影響其正常使用性能[2].

Dezi等[3-4]提出了考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)的鋼-混凝土連續(xù)組合梁的時(shí)變分析方法. Cheng[5]以鋼-混凝土組合T梁為例，分析了滑移和混凝土收縮徐變對(duì)其應(yīng)力和撓度的影響. Cao等[6]對(duì)三根預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合連續(xù)箱梁（無預(yù)應(yīng)力、部分預(yù)應(yīng)力和完全預(yù)應(yīng)力）進(jìn)行了420 d的長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)，提出了考慮持續(xù)荷載、收縮、徐變及預(yù)應(yīng)力組合效應(yīng)對(duì)鋼-混凝土組合連續(xù)箱梁長(zhǎng)期撓度的計(jì)算模型. Tong等[7]建立了考慮混凝土徐變、收縮和開裂的三維黏彈塑性損傷本構(gòu)模型，研究了預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁的短期和長(zhǎng)期性能.項(xiàng)貽強(qiáng)等[8]在考慮體外預(yù)應(yīng)力和混凝土長(zhǎng)期性能對(duì)鋼-混組合梁界面滑移影響的基礎(chǔ)上，提出界面滑移時(shí)變的計(jì)算公式，并探討了鋼-混組合梁在混凝土長(zhǎng)期效應(yīng)作用下的滑移變化規(guī)律.肖巖等[9]在考慮界面滑移效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了鋼-混組合梁撓度計(jì)算的二階算法，并求得4種不同邊界條件下組合梁的撓度.冀偉等[10]在考慮鋼梁與混凝土板的滑移效應(yīng)和組合梁剪切變形的基礎(chǔ)上，運(yùn)用能量變分原理求得了鋼-混凝土組合梁的撓度計(jì)算公式.褚少輝等[11]運(yùn)用有限元分析研究了鋼-混組合梁的滑移分布規(guī)律與特點(diǎn). Nguyen等[12]提出可以考慮混凝土收縮、徐變和開裂之間相互作用的非線性時(shí)變特性鋼-混組合梁有限元模型.

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鋼-混凝土組合梁的界面滑移效應(yīng)和長(zhǎng)期荷載效應(yīng)進(jìn)行了研究，但對(duì)同時(shí)考慮鋼-混組合梁全截面剪切變形、鋼-混接觸面的滑移效應(yīng)及混凝土長(zhǎng)期效應(yīng)下鋼-混凝土組合梁的撓度計(jì)算還存在不足.因此，本文在綜合考慮上述三種效應(yīng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用能量變分原理建立了鋼-混組合梁撓度計(jì)算的控制微分方程，引入梁彎曲角、剪應(yīng)變和撓度的微分關(guān)系，按照給定的自然邊界條件求得鋼-混組合梁在長(zhǎng)期荷載作用下?lián)隙鹊挠?jì)算公式.同時(shí)，鋼-混凝土組合梁的高跨比對(duì)梁的剪切變形有影響，因組合梁屬于薄壁構(gòu)件，往往承擔(dān)較大的荷載，其跨高比較小，將導(dǎo)致剪切影響系數(shù)較大，使剪切變形成為一個(gè)不可忽略的因素[13]；文獻(xiàn)[10]研究了混凝土與鋼梁的界面連接對(duì)層間滑移的影響，在其他條件不變的情況下，抗剪剛度越小，層間滑移效應(yīng)對(duì)撓度的影響越不可忽略，因此有必要在計(jì)算中對(duì)層間滑移與剪切變形兩種效應(yīng)予以綜合考慮.本文基于以上條件，通過簡(jiǎn)支和兩跨連續(xù)鋼-混組合梁的實(shí)例驗(yàn)證了所得計(jì)算公式的正確性和適用性，研究成果可為實(shí)際工程中鋼-混凝土組合梁在長(zhǎng)期荷載效應(yīng)下的撓度計(jì)算提供理論依據(jù).

1鋼-混凝土組合梁撓度計(jì)算的控制微分方程

1.1基本假定

運(yùn)用能量變分原理對(duì)鋼-混凝土組合梁的撓度進(jìn)行分析時(shí)，引入以下基本假定[14-15]：

1）混凝土橋面板與鋼梁的橫截面均符合平截面假定，剪力連接件為等效的均勻連續(xù)彈性介質(zhì)；

2）鋼梁與混凝土在整個(gè)受力階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線性關(guān)系，混凝土在整個(gè)受力階段未開裂、剝落；

3）忽略鋼-混組合梁的掀起現(xiàn)象，不考慮其橫向變形，混凝土橋面板與鋼梁的曲率完全相等；

4）忽略橋面板剪力滯效應(yīng)對(duì)鋼-混組合梁撓度的影響.

1.2考慮層間滑移效應(yīng)影響

假定層間滑移界面符合Goodman彈性夾層假設(shè)（如圖1所示），ks為剪力連接件的抗剪剛度，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)混凝土標(biāo)號(hào)、栓釘長(zhǎng)短、間距、直徑和抗剪切聯(lián)接度等參數(shù)的影響對(duì)剪力連接件進(jìn)行抗剪實(shí)驗(yàn)來確定實(shí)際抗剪剛度；Es、As與Ec、Ac分別為鋼與混凝土材料的彈性模量和截面積.如圖2所示的鋼-混組合梁，hc、hs分別為混凝土板和鋼梁各自截面中性軸到組合截面中性軸的距離，h為hc和hs之和；Hc、Hs分別為混凝土橋面板和鋼梁截面的形心，H為鋼-混組合梁截面的形心.在外力作用下的鋼-混組合梁，組合截面的彎曲變形和剪力連接件的剪切變形將產(chǎn)生層間相對(duì)滑移.圖2中，εcs、εss分別為滑移效應(yīng)引起的混凝土橋面板和鋼板的應(yīng)變，θ為組合梁的彎曲角.

4算例分析

4.1簡(jiǎn)支組合梁算例

選取文獻(xiàn)[17]中的鋼-混凝土組合實(shí)驗(yàn)梁試件LCB1及LCB2為研究對(duì)象，用于驗(yàn)證本文所得撓度計(jì)算公式的正確性. LCB1和LCB2試件中鋼梁與混凝土翼板梁跨均為4 m，圖9為L(zhǎng)CB1和LCB2的截面示意圖.鋼梁材質(zhì)為Q235b，彈性模量為2.1×105 MPa.試件LCB1翼板混凝土材料為C20，軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值fck= 20 MPa，齡期28 d彈性模量為3.18×104 MPa，試件LCB2翼板混凝土材料為C30，軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值fck= 30 MPa，齡期28 d彈性模量為3.47×104 MPa.文獻(xiàn)[17]的簡(jiǎn)支試驗(yàn)梁是按完全抗剪連接設(shè)計(jì)的，即抗剪剛度趨于無窮，而滑移效應(yīng)趨于0，本例假定抗剪剛度過大而忽略滑移位移.兩試件均承受滿跨均布荷載6.23 kN/m.

根據(jù)CEB-FIP（MC90）規(guī)范，采用Midas Civil有限元軟件模擬在平均濕度為67%、構(gòu)件理論厚度為54.5 mm下，C20與C30混凝土的徐變系數(shù)與收縮應(yīng)變?cè)诩虞d1 000 d內(nèi)的發(fā)展情況，如圖10所示.有限元考慮收縮徐變框圖和算法如圖11所示.

采用有限元Midas Civil軟件建立了試件LCB1、LCB2的有限元模型，由于在Midas有限元模型中采用雙單元法剛性連接建模時(shí)，混凝土板部分在徐變作用下產(chǎn)生一定誤差，因此，本文整體采用標(biāo)準(zhǔn)截面法（組合梁截面）建模.

本文根據(jù)靜定結(jié)構(gòu)的收縮和徐變引起結(jié)構(gòu)的變形、超靜定結(jié)構(gòu)的收縮和徐變引起結(jié)構(gòu)次內(nèi)力進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)變形的原理進(jìn)行了收縮徐變的數(shù)值運(yùn)算.在有限元計(jì)算中，收縮徐變只有與施工過程結(jié)合才有意義，橋梁結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)分階段，按施工順序考慮收縮徐變效應(yīng)，本文最終撓度計(jì)算結(jié)果為有限元模型撓度計(jì)算值疊加層間滑移撓度理論計(jì)算值.

Midas Civil實(shí)現(xiàn)混凝土的收縮和徐變一般分兩個(gè)步驟：一是定義收縮、徐變系數(shù)；二是將定義的收縮徐變模式賦予材料.圖12對(duì)應(yīng)為簡(jiǎn)支梁試件LCB1、LCB2的計(jì)算模型，兩試件區(qū)別在于混凝土的軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值和齡期28 d彈性模量值不同.通過建立試件LCB1的有限元模型并求解出對(duì)應(yīng)的撓度值，然后改變模型組合梁截面中混凝土材料及相應(yīng)的彈性模量，重新將定義的收縮徐變模式賦予混凝土材料，運(yùn)算求解試件LCB2對(duì)應(yīng)撓度值.模型中縱向劃分為20個(gè)單元和21個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元長(zhǎng)度等分為0.2 m，約束布置以梁左端為固定鉸支座，右端為活動(dòng)鉸支座，通過改變模型混凝土材料特性分析試件LCB1、LCB2撓度變化情況.

將理論公式計(jì)算的跨中撓度值與有限元值及實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果見表1.

從表1中可以看出，理論公式計(jì)算的撓度值與有限元值及實(shí)測(cè)值的誤差在5%以內(nèi)，吻合較好，驗(yàn)證了所推導(dǎo)的鋼-混組合梁計(jì)算公式的正確性.試件LCB1、LCB2加載500 d后的理論撓度計(jì)算結(jié)果，如圖13所示.

由圖13中可見，簡(jiǎn)支鋼-混組合梁加載500 d后，試件LCB1收縮徐變后的撓度是瞬時(shí)撓度的2.55倍，試件LCB2收縮徐變后的撓度是瞬時(shí)撓度的2.49倍，可見混凝土的收縮徐變效應(yīng)對(duì)撓度的影響較大.

4.2兩跨連續(xù)組合梁算例

選取文獻(xiàn)[3]中的兩跨連續(xù)鋼-混凝土組合梁試件進(jìn)行長(zhǎng)期荷載效應(yīng)分析，梁跨為2×25 m，承受滿跨均布荷載64.56 kN/m，其橫截面尺寸如圖14所示，抗剪剛度取值參考文獻(xiàn)[18]，取ks= 400 MPa.

采用Midas Civil 2018有限元軟件建立了兩跨連續(xù)鋼-混組合梁橋的三維有限元模型，模型中縱向劃分為26個(gè)單元和27個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中單元長(zhǎng)度為2 m，跨中處分割單元為1 m，約束布置以梁兩端為活動(dòng)鉸支座，跨中為固定鉸支座，如圖15所示.

從表2中可知，本文理論公式計(jì)算的撓度值與有限元值吻合較好，驗(yàn)證了所推導(dǎo)的兩跨連續(xù)鋼-混組合梁撓度計(jì)算公式的正確性.為進(jìn)一步驗(yàn)證本文理論公式的正確性，在考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)下將本文公式計(jì)算求得的中支點(diǎn)反力與文獻(xiàn)[3]的中支點(diǎn)反力進(jìn)行對(duì)比分析，二者吻合較好，如圖16所示.

首先對(duì)比分析了兩跨連續(xù)鋼-混凝土組合梁在以下三種情況下的撓度：①初等梁理論（C）計(jì)算所得撓度；②初等梁理論（C）+考慮全截面剪切變形（Q）計(jì)算所得撓度；③初等梁理論（C）+考慮全截面剪切變形（Q）+考慮層間滑移（R）計(jì)算所得撓度，對(duì)比結(jié)果如圖17所示.

從圖17中可以看出，在初等梁理論基礎(chǔ)上考慮層間滑移效應(yīng)和剪切變形效應(yīng)后，跨間最大撓度增長(zhǎng)了37.4%，僅剪切變形效應(yīng)引起的撓度增加了14.2%.可見，剪切變形效應(yīng)和層間滑移效應(yīng)對(duì)鋼-混凝土連續(xù)梁撓度的影響不可忽略.

在圖17情況③的基礎(chǔ)上考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)對(duì)兩跨連續(xù)鋼-混組合梁撓度影響.從加載時(shí)刻算起，在混凝土收縮徐變時(shí)效期為70年，考慮周邊環(huán)境相對(duì)濕度為50%，結(jié)構(gòu)構(gòu)件理論厚度為h = 184 mm，軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值30 MPa.混凝土板徐變系數(shù)與收縮應(yīng)變發(fā)展按照CEP-FIP（MC90）的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算求得，如圖18所示.采用本文所得的理論計(jì)算公式求得了兩跨鋼-混連續(xù)組合梁在加載70年后跨中撓度的發(fā)展情況，如圖19所示.

從圖19中可以看出，在初始時(shí)刻考慮剪切變形效應(yīng)和層間滑移效應(yīng)，組合梁經(jīng)70年加載后，僅考慮混凝土徐變效應(yīng)下產(chǎn)生的撓度是瞬時(shí)加載撓度的1.32倍，考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)產(chǎn)生的撓度是瞬時(shí)撓度的1.58倍.因此，混凝土長(zhǎng)期荷載效應(yīng)對(duì)兩跨連續(xù)鋼-混組合梁的撓度有較大影響，不可忽略.

5結(jié)論

本文對(duì)考慮鋼-混組合梁剪切變形、層間滑移效應(yīng)和混凝土橋面板收縮徐變效應(yīng)下的鋼-混凝土組合梁撓度進(jìn)行計(jì)算與研究分析，所得結(jié)論如下：

1）本文推導(dǎo)所得長(zhǎng)期荷載作用下鋼-混凝土組合梁撓度計(jì)算公式的正確性得到有限元和實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證，理論公式推導(dǎo)過程簡(jiǎn)單，物理意義明確，且能滿足工程計(jì)算精度要求.

2）考慮混凝土收縮徐變后，簡(jiǎn)支鋼-混組合梁跨中最大撓度比加載瞬時(shí)撓度增大1.55倍，可見混凝土的收縮徐變效應(yīng)對(duì)簡(jiǎn)支鋼-混組合梁撓度的影響較大.

3）考慮層間滑移效應(yīng)和剪切變形效應(yīng)，兩跨連續(xù)鋼-混組合梁最大撓度在初等梁理論基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了37.4%，僅考慮剪切變形效應(yīng)引起的撓度增加了14.2%.可見，剪切變形效應(yīng)和層間滑移效應(yīng)對(duì)鋼-混連續(xù)梁撓度的影響不可忽略.

4）考慮剪切變形效應(yīng)和層間滑移效應(yīng)，兩跨連續(xù)鋼-混組合梁經(jīng)70年加載后，僅考慮混凝土徐變效應(yīng)下產(chǎn)生的撓度是瞬時(shí)加載撓度的1.32倍，考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)產(chǎn)生的撓度是瞬時(shí)撓度的1.58倍.因此，混凝土長(zhǎng)期荷載效應(yīng)對(duì)兩跨連續(xù)鋼-混組合梁的撓度有較大影響，在工程設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)引起重視.

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