空間連續組合桁梁橋有效分布寬度分析

宋衛忠

(上海市奉賢區建設和交通委員會，上海 201400)

1 概述

組合結構因為其合理地發揮了鋼受拉性能強和混凝土受壓性能好的特點[1］，在橋梁工程中得到了廣泛的應用，其中一種應用形式就是組合桁架梁橋。組合梁受力發生變形時，混凝土翼緣板內的剪應變使翼緣板發生剪切變形，造成在板寬范圍內的正應力分布不均勻，這種現象稱為“剪力滯效應”[2］。翼緣剪力滯效應通常用有效分布寬度及有效分布寬度系數衡量。

目前，對于組合桁架的有效分布寬度，何畏[3］對蕪湖長江大橋的橋面板有效分布寬度進行計算，肖亞明[4］、范國璽[5］對平面簡支組合桁架的有效分布寬度開展了參數化分析，朱慶普[6］探討了空間簡支組合桁架有效分布寬度的影響因素，而對于空間連續組合桁架梁橋有效分布寬度研究相對較少。

2 有限元模型

選取跨徑為48 m的兩跨連續空間桁架梁橋作為研究對象，如圖1所示，建立有限元模型，橫截面尺寸如圖2所示，橋面板厚度為hc，橋面板全寬為B。桁架采用三角形桁架形式，節點橫橋向間距為B1，截面為等腰直角三角形，內設有加勁，高度為350 mm，上弦節點間設有橫梁，腹桿鋼管外徑為250 mm，板厚6 mm，下弦為鋼管混凝土，鋼管外徑為750 mm，板厚為20 mm。

橋面板用Shell181單元模擬，上弦用Shell63單元模擬，橫梁、腹桿及下弦采用Beam188單元模擬。模型中不含預應力，且不考慮混凝土與鋼之間的滑移。混凝土標號為C50，鋼材采用Q345。梁的兩端截面限制下弦節點的豎向位移和橫橋向位移;梁的中間支點截面限制下弦節點的豎向、縱橋向以及橫橋向位移;在兩端截面限制橋面板的橫橋向位移。

3 有效分布寬度影響因素

影響有效分布寬度的因素有很多[7］，本文考察荷載形式、寬跨比、橋面板厚度、高跨比、節點橫橋向間距以及節點縱橋向間距等因素的影響。取 B=8 m，hc=250 mm，H=2．4 m，B1=4 m，節點縱橋向間距為4 m的模型為基本模型，選取跨中節點斷面(A)、跨中節間斷面(B)、中支點的節點斷面(C)和中支點節間斷面(D)，進行有效分布寬度的研究，如圖1所示。

3．1 荷載形式的影響

為考察荷載形式對有效分布寬度的影響，在縱橋向分別采用均布荷載作用和集中荷載作用，其中均布荷載大小為1．5 kN/m2，集中荷載位于兩跨跨中位置，橫橋向采用均布荷載，荷載大小為6．25 kN/m。一跨內的有效分布寬度系數如圖3所示。

與均布荷載相比，集中荷載作用下有效分布寬度系數普遍較大，但在集中荷載附近的有效分布系數較小，說明荷載形式對有效分布寬度的影響比較大，因而以下有效分布寬度影響因素分析均基于均布荷載。

3．2 寬跨比的影響

分別取橋面板寬度B為6 m，8 m，10 m，12 m，對應的寬跨比則為 1/8，1/6，1/4．8，1/4，計算關鍵斷面的有效分布寬度系數，如圖4所示。橋面板寬度從6 m增加到12 m，在跨中節間(B)處，有效分布寬度系數變化最小，減小了4．8%;而在中支點節點(C)處，有效分布寬度系數變化最大，減小了16．2%。寬跨比變大，節間和節點處的有效分布寬度系數都變小，且在中支點節點處更為明顯。

3．3 橋面板厚度的影響

分別取橋面板厚度hc為150 mm，200 mm，250 mm，300 mm，350 mm，計算關鍵斷面的有效分布寬度系數，如圖5所示。可以看出，當橋面板厚度由150 mm增大到350 mm時，跨中和中支點節間處(斷面B，D)處的有效分布寬度系數變化不大;而在跨中節點(A)和中支點節點(C)處變化較大，分別增大了9．7%和11．1%。橋面板厚度增加，節間處有效分布寬度系數變化不大，而節點處的變化較大。

3．4 高跨比的影響

分別取梁高 H 為1．6 m，2．4 m，3．2 m，4 m，對應高跨比則為1/30，1/20，1/15，1/12，計算4 個關鍵斷面的有效分布寬度系數，如圖6所示。梁高從1．6 m增加到4 m，跨中和中支點節間處(斷面B，D，C)的有效分布寬度系數變化不大;跨中節點(A)的有效分布寬度系數減小了5．8%。高跨比從1．6 m增加到2．4 m，有效分布寬度系數變化較明顯;而高度繼續增大后基本不變。

3．5 節點橫橋向間距的影響

分別取節點橫橋向間距B1為3 m，4 m，5 m，6 m，計算4個關鍵斷面的有效分布寬度系數，如圖7所示。可以看到，當節點橫橋向間距從3 m增加到6 m時，跨中節點(A)、跨中節間(B)和中支點節間(D)的有效分布寬度系數變化都不大;中支點節點(C)的有效分布寬度系數減小了9．5%。因此，除對中支點節點(C)影響稍大外，節點橫橋向間距變化對有效分布寬度的影響并不是很大。

3．6 節點縱橋向間距的影響

取節點縱橋向間距分別為2 m，4 m，6 m，8 m，計算4個關鍵斷面的有效分布寬度系數，如圖8所示。可以看出，當節點縱橋向間距從2 m增加到8 m時，跨中和中支點節間處(斷面B，D)的有效分布寬度系數變化都不大;而跨中節點(A)的有效分布寬度系數減小了30．2%，中支點節點(C)的有效分布寬度系數減小了7．3%。節點縱橋向間距的變化除了對跨中節點(A)的有效分布寬度影響較大外，其余斷面影響不大。

4 計算結果分析

參考日本、英國、加拿大、美國、澳大利亞對組合梁橋有效分布寬度的規定[8］，將以上計算結果與各國規范比較，如圖9，圖10所示。在跨中斷面，日本、英國、加拿大的規范值均大于節點(A)與節間(B)的有限元值，美國和澳大利亞的規范值在橋面板寬度較大時才小于有限元值;在中支點斷面，日本規范值比節點(C)和節間(D)的有限元值都小，而英國和加拿大規范值介于節點(C)和節間(D)的有限元值之間，美國和澳大利亞規范值則當橋面板寬度較大時才小于有限元值。對于橋面板厚度的影響，在跨中斷面和中支點斷面，都是當橋面板較薄時，美國和澳大利亞規范值才小于有限元值。

因此，空間連續組合桁梁橋由于其自身空腹梁的特性，不能簡單套用實腹式組合梁規范，在橋面板較寬、較薄時參照美國規范(AASHTO)計算有效分布寬度是保守的，而另外的情況則需具體分析其有效分布寬度。

5 結語

本文利用ANSYS建立兩跨空間連續組合桁架梁橋有限元分析模型，對影響有效分布寬度的各因素進行了參數化分析，并且將有限元結果與各國規范進行對比，得出以下結論:

1)荷載形式對有效分布寬度的影響較大，集中荷載會造成加載位置附近有效分布寬度的減小，而均布荷載作用下有效分布寬度沿全橋都比較平均。2)寬跨比、橋面板厚度、高跨比以及節點縱、橫橋向間距等各影響因素中，寬跨比和橋面板厚度對有效分布寬度的影響比較顯著。3)與各國規范對組合梁橋有效分布寬度的規定相比，空間連續組合桁架梁橋在橋面板較寬、較薄時采用美國規范(AASHTO)

是保守的，而其他情況則需具體分析。

[1] 劉玉擎．組合結構橋梁[M］．北京:人民交通出版社，2005．

[2] 李運生，王元清，石永久，等．組合梁橋有效翼緣寬度國內外規范的比較分析[J］．鐵道科學與工程學報，2006，3(2):34-38．

[3] 何 畏，強士中．板桁組合結構中混凝土橋面板有效寬度計算分析[J］．中國鐵道科學，2002，23(4):55-61．

[4] 肖亞明，劉東營，何其洪．簡支組合桁架的翼緣有效寬度研究[J］．工程建設與檔案，2005，19(4):305-308．

[5] 范國璽．鋼桁架—混凝土組合梁有效寬度的研究[D］．鄭州:鄭州大學，2010．

[6] 朱慶普．鋼—混凝土組合桁架梁混凝土板有效寬度分析[D］．鄭州:鄭州大學，2011．

[7] 曹國輝，方 志，周先雁，等．影響薄壁箱梁剪力滯系數的幾何參數分析[J］．中外公路，2003，23(1):39-41．

[8] S．S．Chen，A．J．Aref，I．-S．Ahn，M．Chiewanichakorn．EFFECTIVE SLAB WIDTH FOR COMPOSITE STEEL BRIDGE MEMBERS[R］．New York:State University of New York，2001．