大縱肋正交異性組合橋面板混凝土結構層的有效寬度研究

翁雪峰

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

大縱肋正交異性組合橋面板混凝土結構層的有效寬度研究

翁雪峰

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

大縱肋正交異性鋼橋面板在疲勞性能和經濟性等方面具有突出優勢，但局部強度不足的問題突出，在鋼橋面板上設置混凝土結構層而發展的大縱肋正交異性組合橋面板，是有效改善新型大縱肋正交異性鋼橋面板關鍵疲勞易損部位抗疲勞性能的新型結構體系。大縱肋正交異性組合橋面板在剪力滯效應的影響下，混凝土層縱向應力沿橫向分布不均勻，有效寬度是該類結構設計和計算的基本參數。文章建立大縱肋正交異性組合橋面板參數化有限元模型，研究荷載形式、剛性鋪裝厚度、剛性鋪裝材料強度、跨中橫隔板等因素對混凝土結構層在彈性極限狀態下有效寬度的影響。研究結果表明：在不同的加載模式下，有效寬度沿梁跨表現出不同的變化規律；混凝土強度等級和混凝土厚度對有效寬度的影響不顯著；跨中設置橫隔板能夠在一定程度上改善橫隔板附近區域混凝土結構層的剪力滯效應。

正交異性鋼橋面板； 大縱肋； 組合橋面板； 剪力滯； 有效寬度

正交異性鋼橋面板因其輕質高強、跨越能力突出等優勢，受到各國橋梁設計者的青睞，但其疲勞開裂問題和橋面鋪裝易損問題成了正交異性鋼橋面板應用領域的世界性難題[1-3]。為提升正交異性鋼橋面板的疲勞性能，國內外學者提出了大縱肋正交異性鋼橋面板[4]。與傳統縱肋相比，其開口寬度、高度和肋間距都適當加大。但該類結構頂板與縱肋焊縫和縱肋腹板局部區域疲勞強度不足問題突出。為解決這一問題，引入混凝土結構層，通過剪力連接件將鋼橋面板和混凝土層組成組合受力系統，即大縱肋正交異性組合橋面板。

作為一種新型結構，目前關于該類結構基本力學特性的研究較少。實際應用過程中，常采用忽略剪力滯效應影響的做法，這樣將會低估腹板和翼板交接處的撓度和應力，從而導致部分梁橋出現橫向裂縫，直接危及橋梁結構的安全性[6]。組合梁的相關研究表明[7-8]：有效寬度是組合梁計算分析中最為重要的截面特征參數之一，通過合理的有效寬度取值考慮剪力滯效應的影響是確保計算準確性和可靠性的前提。

此處以大縱肋正交異性組合橋面板為主要研究對象，對混凝土層有效寬度的影響因素及其對結構受力特性的影響進行研究。

1 有限元模型的建立

1.1 模型參數

為研究大縱肋正交異性組合橋面板的有效寬度，選取包含4個大縱肋的橋面板作為研究對象，建立一個簡支梁模型(圖1)，各個參數對應的尺寸標注見圖1和圖2，具體構造尺寸見表1。

圖1 簡支組合梁簡化計算模型示意

圖2 結構橫斷面基本設計尺寸示意

1.2 有限元模型建立

使用有限元軟件ANSYS建立分析模型。在單元的選取上，鋼橋面板和混凝土結構層分別采用殼單元Shell63和三維實體單元Solid45模擬，不考慮頂板與混凝土結構層之間的滑移效應。模型采用兩端簡支約束。有限元模型及網格劃分如圖3所示。

表1 結構構造尺寸參數

圖3 結構有限元分析模型示意

2 有效寬度影響因素分析

2.1 荷載形式的影響

此處模擬三種荷載形式，分別為均布荷載、跨中集中荷載、1/4跨兩點對稱荷載，研究它們對大縱肋正交異性組合橋面板有效寬度的影響。結構尺寸如下：跨中設有橫隔板，C50混凝土，對應厚度取110 mm。

為便于闡述各種荷載形式下大縱肋正交異性組合橋面板有效寬度的變化，引入有效寬度比α指標，表示有效寬度be與組合梁實際寬度b的比值。這樣可以很直觀的看出混凝土板的剪力滯效應，α越小說明剪力滯效應越明顯，應力越集中，反之，則不明顯。為了研究大縱肋正交異性組合橋面板有效寬度在跨度方向上的變化，每一種荷載形式作用下，分別計算1/8跨、1/4跨、3/8跨、1/2跨處的有效寬度比。

不同荷載形式作用下有效寬度的變化如圖4所示。研究結果表明：在兩種集中荷載作用下，有效寬度的變化趨勢比較類似，在荷載作用點處截面的有效寬度比較小，其中在跨中集中荷載作用下，有效寬度呈“M”型變化，而兩點對稱荷載作用下有效寬度呈類似“W”型變化。這是因為在荷載作用的截面處，混凝土翼緣板承受的正應力相對較大，由于存在剪力滯效應的存在，截面的縱向應力沿混凝土翼緣板寬度方向的分布也不均勻，從而使得荷載作用處的截面混凝土翼板的有效寬度相對較小。而在均布荷載的作用下，有效寬度從邊跨到跨中逐漸增加，且沿著跨度方向的變化幅度比較小。在跨中最大彎矩截面處跨中集中荷載作用下的有效寬度值最小。

圖4 不同荷載形式作用下有效寬度的變化

2.2 混凝土厚度的影響

為研究混凝土板厚度對大縱肋正交異性組合橋面板有效寬度的影響，選取四種混凝土板厚，分別為90 mm、110 mm、130 mm、150 mm，混凝土采用C50。跨中設有橫隔板，采用均布荷載形式。

不同混凝土厚度下有效寬度的變化如圖5所示。從圖中的曲線數據我們可以看出：當混凝土厚度增加時，有效寬度比增加的幅度并不明顯。同時從圖中可以看出當混凝土厚度從90 mm增加到130 mm時，有效寬度比增加的幅度相對較大，而從130 mm變化到150 mm時有效寬度比變化的比較小。即隨著混凝土厚度逐漸增加，有效寬度值增加的趨勢逐漸減緩。

圖5 不同混凝土厚度下有效寬度的變化

2.3 混凝土強度的影響

這里選取C30、C40、C50三種不同強度的混凝土建立有限元分析模型，計算大縱肋正交異性組合橋面板的有效寬度。結構模型具體參數如下：梁的橫截面尺寸不變，跨中設有橫隔板，混凝土厚度為110 mm。

不同混凝土強度等級下有效寬度的變化如圖6所示。從圖中我們可以看出，隨著混凝土強度的增加，有效寬度也隨著增加，但是增加的并不明顯。在跨中截面處，從C30到C50混凝土翼緣板的有效寬度增幅在2 %左右，說明提高混凝土強度等級對增加有效寬度的作用并不明顯。在彈性階段，雖然混凝土強度等級提高，但截面的中性軸的位置沒有變化，翼緣板的剪力滯效應受混凝土強度等級的影響不大。

圖6 不同混凝土強度等級下有效寬度的變化

2.4 跨中橫隔板的影響

正交異性組合橋面板在梁上使用時，一般都會設置橫隔板，尤其是在支座處要設置。因為橫隔板的存在，改變了這種橋面板的受力行為。為研究橫隔板對大縱肋正交異性組合橋面板有效寬度的影響，這里建立一個沒有跨中橫隔板的模型進行分析對比，其他結構參數與第2.1節中均布荷載作用下跨中設置橫隔板的結構尺寸一致。

為了進一步研究橫隔板對有效寬度的影響，這里研究整個彈性階段內，1/8跨、1/4跨、3/8跨、1/2跨截面處有效寬度隨著荷載增加的變化。跨中無橫隔板時有效寬度的變化如圖7所示，跨中有橫隔板時有效寬度的變化如圖8。從圖7中的曲線可以看出，無跨中橫隔板時，1/8跨、1/4跨、3/8跨、1/2跨截面處的有效寬度隨著荷載的增加都逐漸減小。而從圖8的曲線中可以看出，有跨中橫隔板時，1/8跨、1/4跨、3/8跨截面處有效寬度隨著荷載的增加逐漸減小，而在橫隔板正上方的1/2截面處混凝土翼緣板有效寬度隨著荷載的增加而增加。在1/2截面處有跨中橫隔板和無跨中橫隔板有效寬度變化趨勢差別比較明顯，且有效寬度值隨著荷載增加差距越來越大，當達到彈性極限狀態時，兩者相差5 %，說明設置橫隔板一定程度上改善了橫隔板處的剪力滯效應。

圖7 跨中無橫隔板時有效寬度的變化

3 結論

(1)不同荷載形式下，有效寬度沿著梁跨的變化情況有很大差別。在跨中集中荷載作用下，有效寬度沿著梁跨類似呈“M”型變化；兩點對稱荷載作用下有效寬度類似呈“W”型變化；在均布荷載的作用下，從邊跨到跨中有效寬度逐漸增加，且有效寬度沿著跨度方向變化的幅度比較小。

(2)隨著混凝土厚度增加，有效寬度增加的趨勢逐漸減緩。

圖8 跨中有橫隔板時有效寬度的變化

(3)在跨中設置橫隔板一定程度上改善了橫隔板處混凝土的剪力滯效應，對遠離橫隔板截面處的有效寬度幾乎不產生影響，因此可以根據實際結構的需要在關鍵位置設置橫隔板。

(4)有效寬度的取值直接影響著組合梁各項承載力及變形的計算，因而在設計階段合理考慮剪力滯效應，對有效寬度的影響因素進行研究是非常必要的。

[1] 孟凡超, 張清華, 謝紅兵, 等. 抗疲勞鋼橋面板關鍵技術[M]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

[2] 張清華, 卜一之, 李喬. 正交異性鋼橋面板疲勞問題的研究進展[J]. 中國公路學報, 2017, 30(3): 14-30.

[3] 張清華, 舒剛, 卜一之. 大縱肋正交異性組合橋面板的界面滑移模擬及其效應研究[J]. 橋梁建設, 2017, 47(1): 47-52.

[4] 鄧文中. 正交異性鋼橋面板的一個新構思[J].橋梁,2007(4):10.

[5] 張清華, 郭偉峰, 崔闖, 等. 新型正交異性鋼—混凝土組合橋面板疲勞特性研究[J]. 公路, 2015(12): 71-77.

[6] 羅旗幟, 俞建立. 鋼筋混凝土連續箱梁橋翼板橫向裂縫問題[J]. 橋梁建設, 1997(1):41-45.

[7] 歐陽明. 鋼—混組合梁翼緣有效寬度研究[D]. 西安: 長安大學, 2007.

[8] 馬哲芳. 簡支鋼—混凝土組合梁彈塑性階段有效寬度分析研究[D]. 鄭州大學, 2006.

[定稿日期]2017-06-02

翁雪峰(1990～)，男，碩士研究生，研究方向為鋼結構與組合結構橋梁。

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