組合鋼桁梁橋面板剪力滯效應(yīng)分析

侯 寧

（中國市政工程西北設(shè)計院研究院有限公司，陜西 西安 710075）

引言

鋼管混凝土組合桁架橋梁相比于一般的組合梁橋梁其結(jié)構(gòu)形式有些特殊，其橋面板擱置在上弦上，相當于多點支撐的連續(xù)梁橋。受力與一般的組合梁橋的橋面板受力有較大不同。目前各國規(guī)范對組合梁橋面板有效分布寬度的計算公式都是針對鋼板梁和鋼箱梁組合結(jié)構(gòu)橋梁的，但對于是否能適用于鋼管混凝土組合桁架橋梁中，還沒有明確的定論。因此，展開對鋼管混凝土組合桁架橋梁有效分布寬度的研究非常必要[1]。劉洋[2]對結(jié)合梁斜拉橋橋面板進行了實驗和理論分析。何畏和強士中[3]對組合梁橋面板有效分布寬度進行了研究，總結(jié)出了一組可行的計算公式。高昊等[4]根據(jù)英國和日本的相關(guān)規(guī)范，分別計算簡支梁、連續(xù)梁兩種結(jié)構(gòu)形式在相同跨徑和支撐條件下鋼箱梁橋面板有效寬度。

1 組合鋼桁梁橋面板有效寬度分析

鋼-混凝土組合梁在外力作用下發(fā)生彎曲變形時，由剪力引起混凝土橋面板內(nèi)的剪應(yīng)變會給橋面板帶來剪切變形，使在橋面板寬度范圍內(nèi)的正應(yīng)力分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為“剪力滯效應(yīng)”。在豎向荷載作用下，混凝土實腹式梁橋的剪力通常通過混凝土梁的腹板進行傳遞。而對于空腹式的鋼桁梁來說，其在豎向荷載作用下產(chǎn)生的剪力通常經(jīng)由腹桿進行傳遞。而鋼桁梁的腹桿布置是間隔式，每個腹桿僅在節(jié)點部分與桁架的弦桿相連接。因此，鋼桁梁的剪力圖在節(jié)點和節(jié)間存在顯著的區(qū)別。這也導(dǎo)致了鋼桁梁橋面板的剪力滯效應(yīng)在節(jié)點和節(jié)點同樣存在顯著的差別。因此，有必要對鋼桁梁橋面板的有效寬度根據(jù)其在不同桁梁位置分別進行研究，同時鋼桁梁橋面板的有效寬度還與荷載類型以及橋面板自身的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。

2 算例簡介

通過建立存在不同類型的組合桁梁有限元模型來對其橋面板的有效寬度進行分析。用于算例分析的組合桁梁跨徑為6.5 m，桁高0.5 m，高跨比為1/13。腹桿采用三角形的warren桁架布置，傾角為55°。桁架弦桿采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。上弦桿直徑為90 m×4 mm；下弦桿直徑110 mm×8 mm；腹 桿 直 徑80 mm×6 mm。桁架節(jié)點間隙為30 mm。混凝土橋面板長度與桁架長度相同，為6.5 m。橋面板寬800 mm，懸臂端板厚40 mm，梗掖處進行了加強，厚度最大處為150 mm。 桁架上弦桿埋入混凝土橋面板梗掖處，混凝土橋面板與鋼桁架形成整體共同受力。組合桁梁的尺寸見圖1。

圖1 組合鋼桁梁/mm

3 有限元模擬分析

通過建立不同類型的組合鋼桁梁有限元模型來對其抗彎剛度進行分析。采用ABAQUS 建立鋼板組合梁的實體與板殼結(jié)合的精細化分析有限元模型[5]。其中橋面板采用實體單元C3D8R建立，鋼桁架采用殼單元S4R建立。加載面與1個參考點耦合連接，并在參考點施加豎向位移d=30 mm。 鋼桁梁下弦桿兩端施加簡支的邊界條件。管內(nèi)混凝土和鋼管內(nèi)壁界面施加接觸的相互關(guān)系，摩擦系數(shù)μ=0.6。鋼材等級為Q345，彈性模量按 206 000 MPa計取，泊松比為0.283。混凝土標號為C40彈性模量按34 500 MPa計取，泊松比為0.167。混凝土橋面板實體單元的網(wǎng)格尺寸為100 mm，并在板厚度方向劃分了4層網(wǎng)格，保證實體單元在受彎時也具有較好的模擬精度。鋼桁架單元網(wǎng)格尺寸為80 mm。最終建立的有限元模型見圖2。

圖2 鋼板組合梁ABAQUS有限元模型

因受彎梁在支點處剪力較大，故分別提取了跨中斷面以及靠近支座斷面的混凝土截面計算有效寬度。由于鋼桁梁節(jié)點和節(jié)間也存在差異，因此，同樣提取了節(jié)點和節(jié)間的斷面進行分析。最終得到了測試斷面共分為A-A，B-B，C-C和D-D 4個斷面，斷面縱向應(yīng)力分布見圖3～圖6。

圖3 橋面板A-A斷面縱向應(yīng)力分布

圖4 橋面板B-B斷面縱向應(yīng)力分布

圖5 橋面板C-C斷面縱向應(yīng)力分布

圖6 橋面板D-D斷面縱向應(yīng)力分布

由圖3～圖6可以看出，位于節(jié)點部位的A-A斷面和D-D斷面橋面板的應(yīng)變變化較大，剪力滯效應(yīng)比較明顯，而位于節(jié)段中間部位的B-B斷面和C-C斷面橋面板縱向應(yīng)變變化不明顯，說明剪力滯效應(yīng)稍弱。因此，可得組合桁梁節(jié)點處的橋面板剪力滯效應(yīng)較為明顯，橋面板有效寬度較小，節(jié)間處的橋面板剪力滯效應(yīng)不明顯，橋面板有效寬度較大。由圖6可得，D-D節(jié)點在加載區(qū)域附近，故橋面板的應(yīng)力分布也受到了影響，說明荷載作用位置及形式也會影響橋面板的剪力滯效應(yīng)，進而改變橋面板在荷載作用區(qū)域下的有效分布寬度。

有效寬度系數(shù)定義為橋面板測試斷面的有效寬度與橋面板實際寬度（800 mm）比值：

式中：η—橋面板有效寬度系數(shù)；beff—橋面板有效寬度，mm；b—橋面板實際寬度，mm。

橋面板的有效寬度beff可以按照沿橋面板寬度方向的縱向應(yīng)力的積分值與縱向應(yīng)力峰值的比值確定。各測試斷面的有效分布寬度系數(shù)見圖7。根據(jù)公式（1）的定義可得，剪力滯效應(yīng)越明顯，橋面板測試斷面的有效寬度系數(shù)越小。

圖7 各測試斷面橋面板縱向應(yīng)變分布

由圖7可得：（1）位于節(jié)點附近的A-A斷面和D-D斷面的有效寬度系數(shù)均較小，分別為0.50和0.65，說明組合鋼桁梁節(jié)點處的剪力滯效應(yīng)明顯。（2）A-A截面更靠近支座，而支座附近的剪力較大，靠近支座節(jié)點截面A-A的剪力滯效應(yīng)比靠近跨中的節(jié)點斷面D-D更為明顯。（3）橋面板B-B截面和C-C截面均位于組合桁梁節(jié)間部位，這兩個截面的有效寬度系數(shù)較大，分別為0.90和0.85，說明剪力滯效應(yīng)相對于節(jié)點截面來說不明顯。（4）位于跨中C-C截面的混凝土應(yīng)變分布還受到了外荷載加載的局部影響，故C-C截面的有效寬度系數(shù)比B-B截面的有效寬度系數(shù)要小一些，說明了橋面板的剪力滯效應(yīng)還會受到荷載作用影響。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)有限元結(jié)果分析了集中荷載作用下的組合桁梁沿跨徑不同位置下的應(yīng)力分布以及剪力滯效應(yīng)，提出了適用于有限元橋面板有效寬度計算方法，并計算了對應(yīng)截面的有效寬度系數(shù)。（2）橋面板靠近支點附近的區(qū)域剪力滯效應(yīng)較為顯著，橋面板有效寬度系數(shù)在0.50～0.65左右，靠近節(jié)間的區(qū)域則不明顯橋面板有效寬度系數(shù)在0.85～0.90左右。（3）剪力滯效應(yīng)受到荷載作用形式的影響不可忽略，集中荷載作用于橋面板時，其有效寬度系數(shù)有所降低。