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

(中鐵五局集團建筑工程有限責任公司，貴州 貴陽　550001)

0　引言

對于大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板的體系分析，本質上屬于材料力學的范疇，其關鍵在于確定翼板的有效寬度[1]。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。并且在實際應用過程中，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。大多研究者發現[2]：有效寬度在結構的截面特征參數中起著重要的作用，通過合理的有效寬度取值考慮剪力滯效應的影響確保計算準確性。

1　有效寬度的分析與計算方法

1.1　有限元法

在鋼—混組合結構中，梁和板經過一定方式連接而共同作用，它們的受力并不是簡單相加兩者的受力性能，它們在各自的空間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)對結構進行離散化處理，利用網格把分析的結構進行分割。

2)求解唯一關系，分析計算單元剛度矩陣。

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，計算位移。

7)對單元做循環，計算出單元的力。

1.2　有效寬度的計算

有效寬度be的計算圖如圖1所示。

根據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)

考慮到混凝土本構的復雜性，以及積分計算的難度，目前通常采用式(1)～式(5)來對組合梁有效寬度進行計算。

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

2　有限元模型的建立與分析

2.1　模型參數

運用有限元軟件ANSYS建立了有限元模型，各個部件主要材料見表1，具體的幾何尺寸見表2。

在計算模型上，利用子模型法，進行邊界切割，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算結果更為準確，而且降低了計算量。切割出來的子模型b為4 m，同時對切割出來的子模型的網格進行細化，具體如仿真模型見圖2，子模型及網格劃分見圖3。

表1　材料主要物理指標

表2　各組成構件的尺寸

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對大縱肋正交異性鋼—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，改變跨度來改變寬跨比。在加載的時候，通過一步步加載，直到混凝土壓碎破壞，而極限荷載以混凝土達到標準抗壓值為標志。

2.3　影響因素規律分析

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：表示有效寬度be與組合梁實際寬度b的比值。α越小說明剪力滯效應越明顯，應力越集中，反之，則不明顯。

本文通過加載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對稱四分點荷載。為了研究在沿跨方向上，該結構有效翼緣寬度的規律，我們分別對1/8～7/8沿跨斷面進行計算對比研究，同時對寬跨比也做了分析。

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，在對稱四分點荷載的作用下，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。

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

3　結語

1)寬跨比對大縱肋正交異性鋼—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，應力集中現象越明顯。

2)不同的荷載類型對大縱肋正交異性鋼—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還是大體一致；對均布荷載，在跨中有效寬度最小；對集中荷載，在荷載作用處有效寬度最小。

3)在進行設計計算時，有必要根據結構承受荷載類型對正交異性鋼—RPC組合橋面板的有效寬度加以考慮。