鋼-混雙箱組合梁剪力滯效應影響因素分析

張光煒 張玲瓏

摘要：目前國內外對組合梁剪力滯影響因素的研究主要是T型截面組合截面和單箱單室組合截面，鋼-混凝土組合雙箱梁作為一種特別的組合梁結構，剪力滯效應問題同樣不能忽略。文章利用有限元計算分析了雙箱組合梁剪力滯效應的影響因素。計算分析中選擇分離式雙箱組合梁截面，通過改變截面尺寸 （如寬跨比、寬高比、混凝土板厚度、鋼箱梁厚度） 和剪力連接件的抗剪剛度，研究在均布荷載作用下雙箱組合梁剪力滯效應的影響因素，為該類橋型的設計提供一定借鑒思路。

[作者簡介]張光煒（1995—），男，碩士，助理工程師，從事橋梁和建筑結構檢測鑒定工作。

鋼-混凝土組合梁[1]是由上部混凝土板和下部鋼梁通過剪力連接件組合而成的組合結構，由于在橋梁工程當中，混凝土板的寬度一般都較大，而鋼梁腹板的厚度較混凝土板寬度小，因此鋼-混凝土組合梁的剪力滯效應較明顯，在橋梁工程設計當中應該考慮剪力滯效應對應力結果的影響，保證橋梁結構的使用安全?，F在對組合梁剪力滯的研究主要是T型截面組合梁，鋼-混凝土組合雙箱梁作為一種特別的箱梁結構，剪力滯效應問題同樣不能忽略。

1 鋼-混組合梁剪力滯效應研究現狀

1991年，Gjelsvik[2]采用比擬桿法對鋼-混凝土T形梁的剪力滯效應進行了研究分析。2001年，Dezi等[3]人運用虛功原理，求解出了鋼-混凝土組合梁的剪力滯效應的控制微分方程，并且分析了混凝土板的收縮徐變對組合梁剪力滯效應的影響。2004年，程海根[4]基于能量變分原理建立了組合T梁考慮滑移效應和混凝土收縮徐變下剪力滯效應的微分控制方程，并且求出了一定邊界下混凝土頂板正應力的解析公式。2004年，孫飛飛等[5]人基于能量變分原理求解出一定邊界下考慮滑移、剪力滯效應和剪切變形效應的組合梁撓度值。2010年，張彥玲、李運生、樊健生等[6]基于能量變分原理求解出了集中荷載作用下鋼-混凝土組合梁跨中截面應力的解析解。2013年，戚冬艷、于東民、李文華等[7]以某大跨徑跨海斜拉橋為研究背景，對不同施工階段和汽車工況下的有效寬度系數進行分析。

2 雙箱組合梁模型的建立

在數值模型中，混凝土頂板采用Solid45實體單元，鋼箱梁采用Shell181殼單元，為了能夠模擬出組合梁混凝土底板和鋼箱梁之間的滑移效應，混凝土和鋼箱梁之間的剪力連接件采用Combin39線性彈簧單元模擬。

（1） 雙箱組合梁有限元模型采用等截面形式，截面如圖1所示。

（2） 截面尺寸：混凝土板寬度采用等寬度形式：b1=b2=b3=b4=b5。

（3） 材料本構：混凝土材料：彈性模量Ec=3.45×104 MPa，泊松比μc=0.2;鋼箱梁材料：彈性模量Es=2.06×105 MPa，泊松比μs=0.3;單位截面彈簧單元的剪切剛度：K=6×105 N/m。

（4） 邊界條件：本次模擬分析中，選取簡支邊界。

（5） 有限元模型見圖2、圖3。

3 剪力滯效應的影響分析

3.1 滑移效應對剪力滯效應的影響分析

研究滑移效應對剪力滯效應的影響規律分析時，模型中僅改變彈簧的剪切剛度。對彈簧剛度的取值，參考了相關文獻[8-9]，單位截面彈簧的總剛度依次取K1=6×105 N/m、K2=1.2×106 N/m、K3=6×106 N/m和K4=6×107 N/m，在有限元計算中橫截面共設置8個彈簧單元，每個間距100 mm。在不同滑移剛度下跨中截面頂、底板應力以及頂板剪力滯系數分布如圖4～圖6所示。

從圖中可以看出，不同剪力連接件剛度下混凝土頂板和鋼箱梁底板的橫截面應力分布均無明顯變化，剪力滯系數大致相同，但剪力連接件剛度對截面應力大小有一定的影響。組合梁頂板壓應力隨剪力連接件剛度的提高而增大，底板拉應力隨剪力連接件剛度提高而減小，表明在雙箱組合梁中合理的剪力連接件剛度對充分發揮兩種材料的性能具有非常重要的作用。

3.2 寬跨比對剪力滯效應的影響分析

在研究寬跨比對剪力滯效應的影響中，保持組合雙箱梁模型的寬度不變，僅改變其跨度，從而達到改變組合梁寬跨比的目的。組合梁的寬度采用1.6 m，跨度分別取4 m、6 m、8 m、12 m和16 m，對應的寬跨比如表1所示。

有限元計算結果組合梁跨中頂板剪力滯系數和最大剪力滯系數隨寬跨比變化如圖7、圖8所示。

從有限元計算結果中可以得出，跨中截面混凝土頂板剪力滯效應受寬跨比影響較為明顯，當寬跨比較大時，剪力滯效應較明顯，當寬跨比減小時，剪力滯效應逐漸減弱。因此在實際工程設計中，應注意雙箱組合梁結構的寬跨比的合理取值，保證橋梁結構受力的合理性。

3.3 寬高比對剪力滯效應的影響分析

在研究寬高比對雙箱組合梁剪力滯效應的影響中，計算過程中只改變截面鋼箱梁腹板的高度，保持混凝土頂板的寬度不變。設置5種不同的寬高比，取頂板寬度1.6 m，鋼箱梁腹板高度分別取0.3 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m和1.0 m，對應的寬高比如表2所示。

計算結果跨中截面剪力滯系數和最大剪力滯系數如圖9、圖10所示。

計算結果表明，雙箱組合梁跨中截面混凝土頂板剪力滯效應受寬高比影響較為明顯，當寬高比較大時，剪力滯效應較為明顯，剪力滯系數較大。隨著寬高比的減小，剪力滯效應逐漸減弱，剪力滯系數逐漸減小。當寬高比小于1.5后，跨中截面剪力滯系數趨于平緩。從圖中可以看出寬高比對頂板的剪力滯效應影響比較大，因此在設計中應對寬高比予以足夠的重視。

3.4 混凝土頂板厚度對剪力滯效應的影響分析

在研究混凝土板厚度對雙箱組合梁剪力滯效應的影響規律計算分析時，改變混凝土板的厚度，分別采用了4種厚度為t1=10 cm、t2=12 cm、t3=15 cm和t4=20 cm，在計算過程中保持其他參數不變。跨中截面頂板正應力分布和剪力滯系數分布如圖11、圖12所示。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

計算結果顯示，雙箱組合梁簡支結構在均布荷載作用下，在相同荷載作用下，雖然跨中截面頂板應力大小不同，但其分布特點基本一致，混凝土頂板厚度對剪力滯效應的影響較小。所以混凝土板的厚度對剪力滯效應的影響很微弱，研究剪力滯效應時可以忽略其影響。

3.5 鋼箱梁厚度對剪力滯效應的影響分析

在計算過程中保持其他參數不變，設置了4種不同類型的鋼箱梁厚度，分別為t1=10 mm，t2=15 mm，t3=20 mm和t4=30 mm。頂板正應力分布圖和剪力滯系數如圖13、圖14所示。

從計算結果中可以分析得到，不同鋼箱梁厚度下，雖然跨中截面頂板應力大小不同，但其分布特點基本一致，可見在一定范圍內，鋼箱梁厚度對剪力滯效應的影響較小。

4 結 論

本文對受均布荷載的鋼-混凝土雙箱組合梁簡支結構進行分析，研究了截面幾何參數和剪力連接件的抗剪剛度對剪力滯效應的影響。通過計算分析得到結論：

（1） 界面滑移效應對雙箱組合梁剪力滯效應影響不大但對應力大小分布影響較大，組合梁頂板壓應力隨剪力連接件剛度的增大而增大，相反底板拉應力隨剪力連接件剛度增大而減小。

（2） 在所研究截面幾何參數中，對雙箱組合梁剪力滯效應影響最大的是寬跨比，其次是寬高比，而混凝土板厚度和鋼箱梁厚度對剪力滯效應的影響則較小。

（3） 在寬跨比的影響當中，當寬跨比較大時，剪力滯效應較為明顯，剪力滯系數較大，隨著寬跨比的減小，剪力滯系數逐漸減小。當寬高比較大時，剪力滯效應最明顯，當寬高比較小時，剪力滯效應較為微弱。

在實際工程中，鋼-混凝土雙箱組合梁的設計應該重視剪力滯效應，采取一定措施降低剪力滯效應對雙箱組合梁的影響，使得結構既能夠滿足設計要求，又能夠降低成本。

參考文獻

[1] 聶建國. 鋼-混凝土組合結構橋梁.人民交通出版社[M]. 北京： 人民交通出版社， 2011： 0-1.

[2] Gjelsvik A. Analog-Beam Method for Determining Shear-Lag Effects[J]. Journal of Engineering Mechanics， 1991， 117（7）：1575-1594.

[3] Dezi L， Gara F， Leoni G. Effective Slab Width in Prestressed Twin-Girder Composite.

[4] 程海根. 薄壁箱梁剪力滯效應理論分析與試驗研究[D]. 成都： 西南交通大學， 2003.

[5] 孫飛飛， 李國強. 考慮滑移、剪力滯后和剪切變形的鋼—混凝土組合梁解析解[J].工程力學， 2005， 22（2）：96-103.

[6] 張彥玲，李運生，樊健生，等.鋼-混凝土組合梁負彎矩區有效翼緣寬度的研究[J].工程力學，2010，27（2）：178-185.

[7] 戚冬艷，于東民，李文華，等.大跨徑跨海斜拉橋組合梁橋面板剪力滯效應[J].長安大學學報（自然科學版），2013，33（6）：68-73.

[8] 周世軍，黃瑜，江瑤，等.單箱雙室組合箱梁剪力滯效應分析[J].建筑科學與工程學報，2017，34（6）：110-115.

[9] 李法雄，聶建國.鋼-混凝土組合梁剪力滯效應彈性解析解[J].工程力學，2011，28（9）：1-8.E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A