基于簇釘連接的組合梁橫聯間距及簇釘間距對荷載橫向分布系數影響的研究

文/楊心怡、姜煜、曹漸寒、任逸哲　東南大學土木工程學院 江蘇南京 211189

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基于簇釘連接的組合梁橫聯間距及簇釘間距對荷載橫向分布系數影響的研究

文/楊心怡、姜煜、曹漸寒、任逸哲東南大學土木工程學院 江蘇南京 211189

組合梁橫聯間距與簇釘排間距將對其荷載橫向分布產生一定影響。本文通過Midas有限元軟件建模，選擇單點加載方式，取跨中撓度計算得出不同橫聯間距及簇釘排間距下結構的荷載橫向分布系數，為實際工程依自身要求提供選擇橫聯間距和簇釘排間距的依據。橫聯能加強結構整體性，故有利于橫向荷載分布的合理性，而簇釘排間距與橫向受力分布的合理性不存在明顯的正相關關系。

組合梁；橫聯間距；簇釘排間距；荷載橫向分布

1、前言

基于簇釘連接的組合梁是指鋼梁與混凝土板以簇釘作為剪力連接件組合而成的能夠共同受力、變形協調的一種結構形式，在建筑與橋梁領域具有廣闊的應用前景 。由于其使用簇釘連接，大大減少了現澆區塊面積，可加快施工速度。目前該種形式多見于歐美國家。組合梁橫聯間距與簇釘排間距將對其荷載橫向分布產生一定影響。目前國內計算分析時認為橋面板與鋼梁完全組合，即異性材料界面間無滑移，這樣計算出的荷載橫向分布系數必然是不準確的 。而橫聯間距對結構整體性有一定影響，所以橫聯間距的不同也將影響到荷載橫向分布規律。本文就橫聯間距及簇釘排間距對荷載橫向分布系數的影響進行研究，期望能對工程上橫向分布系數的計算有一定幫助。

對上述問題的研究，本文采用有限元法。利用針對土木結構的有限元軟件Midas進行建模，以分析橫聯間距及簇釘排間距對結構荷載橫向分布的影響。

2、分析方法和計算模型

建立一單跨簡支組合梁橋模型，橋面板與鋼梁間采用點連接，以模擬簇釘連接。梁（①-⑤）、簇釘排（a-l）及橫梁（A-E）編號如圖1所示。考慮到實際施工中，由于該類橋梁采用裝配式施工，橋面板為工廠預制后到現場拼裝，單塊預制板簇釘排間距相同，接縫處簇釘間距與板內簇釘間距不同，所以建模時假定為三塊預制板拼接，單塊板內簇釘排間距為200mm，接縫處簇釘排間距為150mm。采用單一變量的研究方式，即研究橫聯間距的影響時，僅改變橫聯排數，分別在①②③號梁跨中處單點加載，取跨中撓度計算荷載橫向分布系數。研究簇釘間距的影響時，僅改變簇釘排數。

2.1模型參數

有限元模型取梁單元長2200mm，支座間距為2000mm，橋面板寬1000mm。設定梁單元為125×60×6×8的Q235H型鋼，截面2為30mm厚的C30混凝土板，橫聯為4mm厚的Q235鋼板。其中建立混泥土板單元時自動分割成若干單元。混凝土板和下面的五片鋼梁采用彈性支座為一個整體。五片工字梁之間的距離為200mm。梁之間的橫隔板采用的是4mm厚的Q235板單元，利用邊界條件——彈性連接——剛性連接將橫隔板和梁單元連接在一起。在鋼梁左右端加上邊界條件，左端為固定鉸支座（約束xyz方向的支撐力），右端為滾動鉸支座（約束yz方向的支撐力）。簇釘用彈性連接中的剛性連接模擬，將板單元和梁單元連接在一起。

圖1　模型編號

2.2作用荷載

進行有限元計算后，發現考慮自重影響與不考慮自重影響所得到的荷載橫向分布系數相差不大，為簡化分析，研究中僅進行單點加載，不考慮自重影響。荷載大小取10kN，方向垂直橋面板豎直向下，作用位置包括①②③號梁跨中。

2.3分析流程

進行橫聯間距影響的研究時，保留所有簇釘連接，在其余條件不變情況下，分別在橫聯間距為500毫米（A-E列橫梁均保留）、1000毫米（保留ACE列橫梁）、2000毫米（保留AE列橫梁）、無橫聯四種情況下分別在①②③號梁跨中進行單點加載，取跨中截面梁的撓度作為計算荷載橫向分布的依據。

進行簇釘排間距的影響時同理。即保留所有橫梁，在其余條件不變的情況下，分別在12排簇釘（a-l）、7排簇釘（a、c、e、g、i、k、l）、4排簇釘（a、e、i、l）、2排簇釘（a、l）四種情況下進行試驗。

3、計算結果及分析

根據荷載和撓度的關系，可使用撓度推算該梁所受到的荷載，即可使用梁跨中截面撓度計算五片梁的跨中荷載橫向分布系數 。

根據Midas有限元軟件計算結果，得到與橫聯間距有關的荷載橫向分布系數12組，與簇釘排間距有關的荷載橫向分布系數12組。

3.1橫聯間距對荷載橫向分布的影響

單點荷載作用在各號梁跨中時，將不同橫聯間距下的荷載橫聯系數繪制成共三組圖線（圖2左列），可以得出以下結論：

（1）對于荷載作用于①號梁的情況，以承擔荷載量最大的梁（①梁）為研究對象，橫聯間距越小該梁所承擔荷載量越少。該梁無橫梁時荷載橫向分布系數比200mm橫聯間距下的最小橫向分布系數大3.8%。

（2）對于荷載作用于②號梁的情況，以承擔荷載量最大的梁（①梁）為研究對象，橫聯間距2000mm時橫聯系數最小，保留全部橫梁時橫向分布系數最大。該梁全橫梁下的荷載橫向分布系數比僅保留端橫梁時大2.8%。

（3）對于荷載作用于③號梁，以承擔荷載量最大的梁（③梁）為研究對象，橫聯間距越小該梁承擔荷載量越少。該梁無橫梁時荷載橫向分布系數比200mm橫聯間距時大22%。

（4）單點荷載作用于中間梁跨中時，橫聯間距對荷載橫向分布系數影響最大。

3.2簇釘排間距對荷載橫向分布的影響

單點荷載作用在各號梁跨中時，將不同簇釘排間距下的荷載橫聯系數繪制成共三組圖線（圖2右列），可以得出以下結論：

（1）對于荷載作用于①號梁的情況，以承擔荷載量最大的梁（①梁）為研究對象，簇釘排間距為400mm時該梁所承擔荷載量最大。

（2）對于荷載作用于②號梁的情況，以承擔荷載量最大的梁（①梁）為研究對象，簇釘排間距為750 mm時橫聯系數最大。

（3）對于荷載作用于③號梁，以承擔荷載量最大的梁（③梁）為研究對象，簇釘排間距越小該梁承擔荷載量越大。簇釘排間距為200mm時的荷載橫向分布系數比簇釘排間距為2100mm時大約21%。

圖2不同橫聯間距和簇釘排間距下的橫聯系數：（a）一號梁跨中單點加載；（b）二號梁跨中單點加載；（c）三號梁跨中單點加載

結語：

力作用在①號梁時，結構處于最危險狀態（①號梁承擔的荷載量最大），以此情況作為研究目標，可知增設橫梁可提高結構極限承載能力，主要原因是橫梁能增強結構整體性，實際工程可根據需要達到的標準選擇合適的橫聯間距。簇釘少的情況下反而結構受力性能較好，也就是說此時鋼梁的撓度小，可能是因為此情況下橋面板與鋼梁已經基本分離工作，而實際情況下橋面板與鋼梁有接觸作用，故而有限元計算時產生誤差。

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