组合钢桁梁桥面板剪力滞效应分析.docx

    组合钢桁梁桥面板剪力滞效应分析    蒋昌龙摘 要：空腹式的钢桁梁剪力的传递与实腹式混凝土梁桥差别较大组合钢桁梁的桥面板与钢桁架形成整体共同受力为对组合钢桁梁混凝土桥面板的剪力滞效应进行分析，建立了ABAQUS有限元模型，对集中荷载作用下组合钢桁梁不同位置的剪力滞效应及有效宽度进行了分析结果表明桥面板靠近支点附近的区域剪力滞效应较为显著，靠近节间的区域则不明显;剪力滞效应还会受到荷载作用形式的影响Key：钢桁梁;剪力滞;有效宽度0 引言钢管混凝土组合桁架桥梁相比于一般的组合梁桥梁其结构形式有些特殊，其桥面板搁置在上弦上，相当于多点支撑的连续梁桥受力与一般的组合梁桥的桥面板受力有较大不同目前各国规范对组合梁桥面板有效分布宽度的计算公式都是针对钢板梁和钢箱梁组合结构桥梁的，但对于是否能适用于钢管混凝土组合桁架桥梁中，目前还没有明确的定论因此，展开对钢管混凝土组合桁架桥梁有效分布宽度的研究非常必要[1-2]国内外对组合梁桥的桥面板有效分布宽度问题已进行过大量研究，如对简支和连续组合梁的桥面板有效分布宽度都做过大量专门的研究，进行一系列的理论分数、试验研究和数值分析，最后提出了一系列的实用的有效分布宽度的计算公式。

刘洋[3]对结合梁斜拉桥桥面板进行了实验和理论分析，考虑了相对滑移，通过建立函数研究了组合梁的有效分布宽度，并提出了组合梁有效分布宽度计算的函数关系式何畏[4]对组合梁桥面板有效分布宽度进行了研究，总结出了一组可行的计算公式，同时也证实了有效分布宽度的主要影响因素为荷载的类型和混凝土板的宽跨比，而混凝土板的厚度对组合梁桥面板有效分布宽度的影响比较小高昊[5]根据英国和日本的相关规范，分别计算简支梁、连续梁两种结构形式在相同跨径和支撑条件下钢箱梁桥面板有效宽度对比两国规范差异1 组合钢桁梁桥面板有效宽度分析公路钢桁梁设置了供车辆运行的桥面板，而桥面板又与钢桁梁通过连接件的方式连接形成了整体在自重、车辆等竖向荷载作用下桥面板与钢桁架共同受力当桥面板较为薄弱时，便可能先于钢桁架首先发生破坏，此时桥梁的通行功能受到了影响，而钢桁架的材料强度也没有充分的利用因此有必要对钢桁梁梁桥面板的受力状态进行研究，控制桥面板在桥梁运营过程中的应力水平，保证其不会过早的发生破坏而导致桥梁失效钢一混凝土组合梁在外力作用下发生弯曲变形时，由剪力引起混凝土桥面板内的剪应变会给桥面板带来剪切变形，使在桥面板宽度范围内的正应力分布不均匀，这种现象称为“剪力滞效应”。

为了避免进行复杂的三维模型分析，在组合梁设计中通常可将组合梁结构简化为二维梁结构作分析，并假定在组合梁的混凝土桥面板的一定范围内弯曲正应力是均匀分布的，这一等效宽度称为桥面板有效分布宽度在竖向荷载作用下，混凝土实腹式梁桥的剪力通常通过混凝土梁的腹板进行传递而对于空腹式的钢桁梁来说，其在竖向荷载作用下产生的剪力通常经由腹杆进行传递而钢桁梁的腹杆布置是间隔式，每个腹杆仅在节点部分与桁架的弦杆相连接因此钢桁梁的剪力图在节点和节间存在着显著的区别这也导致了钢桁梁桥面板的剪力滞效应在节点和节点同样存在显著的差别因此有必要对钢桁梁桥面板的有效宽度根据其在不同桁梁位置分别进行研究同时钢桁梁桥面板的有效宽度还与荷载类型以及桥面板自身的结构特性有关本文第2节便根据上述影响组合桁梁混凝土桥面板有效宽度的因素建立了有限元模型，进行了对比研究2 算例简介本文通过建立存在不同类型的组合桁梁有限元模型来对其桥面板的有效宽度进行分析由于算例分析的组合桁梁跨径为6.5 m，桁高0.5 m，高跨比为1/13腹杆采用三角形的warren桁架布置，倾角为55°桁架弦杆采用钢管混凝土结构上弦杆直径为90 mm，壁厚4 mm;下弦杆直径D=110 mm，壁厚8 mm;腹杆直径80 mm，壁厚6 mm。

桁架两端竖腹杆进行了加强，直径为90 mm，壁厚8 mm桁架節点间隙为30 mm，两腹杆中线的交线位于节点中心以下30 mm，节点正偏心0.27D混凝土桥面板长度与桁架长度相同，为6.5 m桥面板宽800 mm，悬臂端板厚40 mm，梗掖处进行了加强，厚度最大处为150 mm 桁架上弦杆埋入混凝土桥面板梗掖处，混凝土桥面板与钢桁架形成整体共同受力组合桁梁的尺寸分别如图1、2所示3 有限元模拟分析本文通过建立不同类型的组合钢桁梁有限元模型来对其抗弯刚度进行分析采用ABAQUS 建立钢板组合梁的实体与板壳结合的精细化分析有限元模型其中桥面板采用实体单元C3D8R建立，钢桁架采用壳单元S4R建立桥面板顶面中心建立一个参考点用于施加荷载该参考点与桥面板中心的加载区域采用刚臂耦合连接，避免混凝土实体单元由于局部承压而导致迭代不收敛采用跨中区域模拟集中荷载加载P=100 kN钢桁梁下弦杆两端施加简支的边界条件管内混凝土和钢管内壁界面施加接触（contact）的相互关系，法向采用硬接触（hard contact），切向采用库伦摩擦（Coulomb friction），摩擦系数μ=0.6钢材等级为Q345，弹性模量按206 000 MPa计取，泊松比为0.283。

混凝土标号为C40弹性模量按34 500 MPa计取，泊松比为0.167混凝土桥面板实体单元的网格尺寸为100 mm，并在板厚度方向划分了4层网格，保证实体单元在受弯时也具有较好的模拟精度钢桁架单元网格尺寸为80 mm由于本文仅为弹性阶段的抗弯刚度进行分析，因此材料本构关系中省略了塑性阶段的定义，提高分析效率最终建立的有限元模型如图3所示根据本文建立的ABAQUS模型，对组合桁梁桥面板有效宽度进行了分析受弯梁在支点处剪力较大，因此分别提取了跨中断面以及靠近支座断面的混凝土截面计算有效宽度由于钢桁梁节点和节间也存在差异，因此同样提取了节点和节间的断面进行分析最终得到了测试断面共分为A-A，B-B，C-C和D-D 4个断面，如图1所示这4个断面的桥面板轴向应力分布分别如图4～7所示由图4～7可得位于节点部位的A-A断面和D-D断面桥面板的应变变化较大，剪力滞效应比较明显而位于节段中间部位的B-B断面和C-C断面桥面板纵向应变变化不明显， 说明剪力滞效应稍弱因此可得组合桁梁节点处的桥面板剪力滞效应较为明显，桥面板有效宽度较小，节间处的桥面板剪力滞效应不明显，桥面板有效宽度较大由图7可得，D-D节点在加载区域附近，因此桥面板的应力分布也受到了影响。

这说明荷载作用位置及形式也会影响桥面板的剪力滞效应，进而改变桥面板在荷载作用区域下的有效分布宽度图8则给出了各个测试断面的有效分布宽度系数有效宽度系数的定义为桥面板测试断面的有效宽度与桥面板实际宽度（800 mm）的比值，其计算公式如式（1）所示：式中，为桥面板有效宽度系数;beff为桥面板有效宽度;b为桥面板实际宽度根据式（1）的定义可得，剪力滞效应越明显时，桥面板测试断面的有效宽度系数越小由图8可得位于节点附近的A-A断面和C-C断面的有效宽度系数均较小，分别为0.5和0.65这说明组合钢桁梁节点处的剪力滞效应明显同时A-A截面更靠近支座，而支座附近的剪力较大，靠近支座节点截面A-A的剪力滞效应比靠近跨中的节点断面C-C更为明显桥面板B-B截面和D-D截面均位于组合桁梁节间部位，这两个截面的有效宽度系数较大，分别为0.90和0.85，说明剪力滞效应相对于节点截面来说不明显同时位于跨中D-D截面的混凝土应变分布还受到了外荷载加载的局部影响，因此D-D截面的有效宽度系数比B-B截面的有效宽度系数要小一些这也说明了桥面板的剪力滞效应还会受到荷载作用形式的影响4 结论本文对组合钢桁梁桥面板的剪力滞效应进行了研究。

采用ABAQUS建立了钢桁梁的高精度有限元模型，其中桥面板采用实体单元建立分析了集中荷载作用下的组合桁梁沿跨径不同位置下的应力分布以及剪力滞效应，计算了对应截面的有效宽度系数结果表明桥面板靠近支点附近的区域剪力滞效应较为显著，靠近节间的区域则不明显;剪力滞效应受到荷载作用形式的影响也不可忽略Reference：[1]石柱，项超群，上官兴，等.钢桁梁桥新型波形钢-RPC组合桥面板非线性有限元分析[J].中外公路，2019，39（5）：86-92.[2]马印平，刘永健，龙辛，等.钢管混凝土組合桁梁受弯承载力简化计算方法研究[J].建筑结构学报，2020， 41（5）：76-84.[3]刘洋.结合梁斜拉桥桥面板滑移及有效宽度研究[D].武汉理工大学，2010.[4]何畏，强士中.板桁组合结构中混凝土桥面板有效宽度计算分析[J].中国铁道科学，2002（4）：57-63.[5]高昊，王会利，张哲.英日规范中钢箱梁桥面板有效翼缘宽度的对比分析[J].中外公路，2016，36（2）：134-139.交通科技与管理2021年5期交通科技与管理的其它文章公路桥梁混凝土裂缝成因分析及处治措施分析桥梁结构动力特性分析中节点处理浅析基于大数据时代的高速公路养护管理分析研究优化地铁换乘站客流组织的有效方法探究不同掺量RAP对沥青混合料性能影响的研究预应力施工技术在道路桥梁施工技术中的应用  -全文完-。