簡支鋼—混組合箱梁剪力滯效應研究

武彥池

（長安大學，陜西 西安 710018）

0 引言

鋼—混凝土組合箱梁是由鋼箱通過剪力鍵與混凝土板組合而成，在外荷載作用下,組合梁除發生拉壓、彎曲、剪切和扭轉變形外,還發生扭轉翹曲和剪力滯變形[1]。由于剪力滯現象的存在,用普通梁彎曲理論計算得到的應力與考慮剪力滯效應得出的結果有較大的出入,尤其在翼板與腹板交接處的應力相差更明顯[2]。孫飛飛等[3-4]推導了考慮滑移、剪力滯后和剪切變形的鋼—混凝土組合梁解析解，并通過簡單的運動學假設，提出了相應的鋼—混組合梁位移法單元；程海根等[2]根據組合翼板微元的變形協調條件和平衡條件，采用虛功原理得到了用級數表示的應力解；堯云濤等[1]以最小勢能原理為基礎，提出了一種計算精度高、計算量小的梁段單元，并推導了單元剛度矩陣、等效節點荷載列陣。本文在以上研究基礎上，運用ANSYS軟件建立了考慮剪力滯后、剪切變形、材料和幾何非線性的鋼—混凝土組合箱梁三維數值模型，分析了寬跨比對箱梁剪力滯和鋼—混凝土交界面相對滑移的影響，以及滑移剛度和荷載形式對組合箱梁剪力滯效應的影響，為完善規范關于組合箱梁和類似工程剪力滯系數的計算提供參考。

1 數值模型

本文參照文獻[5]中的一根2.8 m長的簡支組合箱型梁，建立了考慮寬跨比、滑移剛度、剪力滯后和剪切變形的空間力學模型進行有限元分析，組合箱梁截面尺寸和計算模型如圖1所示。在空間分析模型中，混凝土板采用SOLID65實體單元模擬，厚度較薄的鋼箱梁采用殼單元（SHELL43）模擬，縱向鋼筋采用LINK8單元模擬；文獻[6]研究發現：由于剪力鍵受到剪切作用而變形，無論是完全抗剪連接還是部分抗剪連接，鋼梁與混凝土間都存在不同程度的滑移，而ANSYS軟件中COMBIN39非線性彈簧單元可以很方便地模擬界面上的剪力—滑移關系[7]。三維數值模型如圖1所示。

圖1 組合梁截面和數值模型圖

混凝土的本構關系采用應用Hongnestad建議表達式[8]：

混凝土破壞準則采用基于Willam-Warnke強度理論的五參數破壞準則，鋼材的本構關系采用雙線性隨動強化（BKIN）模型，鋼材屈服后的應力—應變關系簡化為平緩的斜直線，其優點是應力—應變關系唯一，有利于收斂[9]。

模型荷載作用分為跨中集中和均布荷載，對應條件下集中和均布荷載的作用值相等。

2 剪力滯效應分析

根據鋼—混凝土組合箱梁在正常使用階段的實際工作狀態，通過改變鋼—混凝土組合箱梁的寬跨比、滑移剛度、荷載大小以及荷載形式等參數，分別得到相應參數變化與組合梁力學行為的變化關系。

2.1 寬跨比的影響

在分析寬跨比的影響過程中，假設在跨中橫向對稱集中荷載（P=30 kN）作用下，通過改變混凝土頂板寬度，使得寬跨比 r=0.3、0.4、0.5、0.6 時，鋼—混凝土組合箱梁的混凝土頂板與鋼箱底板的剪力滯效應及相對滑移的變化。

2.1.1 寬跨比對頂、底板剪力滯的影響

在不同寬跨比下，在混凝土頂板、鋼箱底板上剪力滯系數沿跨中截面和L/4截面橫向的分布規律分別見如圖2和圖3所示。

圖2 混凝土頂板剪力滯系數橫向分布圖

圖3 鋼箱底板剪力滯系數橫向分布圖

由圖2和圖3可知，混凝土頂板和鋼箱底板剪力滯系數隨著寬跨比的增大而增大，即當翼緣板寬度增大時，其遠離梁肋處的翼緣板因剪切扭轉而發生變形，從而不參與承彎工作，靠近梁肋處受壓翼緣上的壓應力隨著寬跨比的增大而越加明顯；另外，L/4截面的剪力滯橫向分布曲線明顯較跨中截面平緩，說明剪力滯效應受荷載作用位置的影響，且距離荷載作用位置越近，剪力滯效應越明顯。

2.1.2 寬跨比對交界面縱向滑移的影響

鋼—混凝土組合箱梁的混凝土頂板和鋼箱由柔性連接件連接，在外荷載作用下，其交界面不可避免會發生縱向相對錯動，會直接影響鋼混組合箱梁的工作，因此有必要分析寬跨比對交界面縱向滑移的影響。縱向滑移分析過程中，忽略了組合梁交界面的橫向滑移，跨中集中荷載（P=30 kN）作用下寬跨比對連接件的最大相對位移的影響如圖4所示。

圖4 集中荷載作用下交界面縱向滑移量

由圖4可以看出，在外荷載作用下鋼箱和混凝土頂板并不是完全共同作用，而是兩者之間存在一定的滑移，而且隨著寬跨比的增大，相對滑移量也隨之增大；另外，圖4中的變化曲線除跨中（1.4 m）為零外，其他位置幾乎呈水平狀，這說明組合梁跨中位置沒有發生相對滑移，其他位置的相對滑移量沿梁長變化很小。

2.2 滑移剛度對剪力滯效應的影響

通過改變非線性彈簧單元的實常數來研究彈簧剪切滑移剛度對剪力滯效應的影響，滑移剛度對鋼箱底板和混凝土頂板的剪力滯效應都有不同程度的影響。由圖5可知，隨著滑移剛度的增大，混凝土頂板和鋼梁底板的剪力滯效應都具有增大的趨勢，這與文獻[6]的研究結論基本一致。

圖5 集中荷載下滑移剛度對剪力滯系數的影響

2.3 荷載大小對剪力滯效應的影響

由圖6可知，在豎向集中荷載作用值的大小對混凝土頂板和鋼箱底板的剪應力分布影響不大，隨著荷載作用的增大，混凝土板和鋼底板的剪力滯系數略顯增大，P=30 kN和P=90 kN作用下混凝土頂板與鋼箱底板對應的剪力滯系數最大差僅為1.0%與1.6%。

圖6 荷載大小對剪力滯系數的影響

2.4 荷載類型對鋼混組合箱梁剪力滯效應的影響

在集中荷載（P=109 kN）和同等大小的均布荷載作用下，不同荷載類型下的剪力滯系數沿橫截面和梁長方向的變化曲線如圖7和圖8所示。

圖7 不同類型荷載作用下跨中截面的剪力滯效應

根據圖7可以看出，在跨中集中荷載作用下，頂板和底板靠近梁肋處的剪力滯系數大于同等大小均布荷載對應的剪力滯系數；但隨著與梁肋距離的增大，底板處均布荷載對應的剪力滯系數可能會大于集中荷載作用效應。

圖8 剪力滯系數沿梁縱向的變化

從圖8可以看出，跨中集中和均布荷載下鋼—混凝土組合箱梁的剪力滯系數沿梁長的分布規律明顯不同，集中荷載作用下的最大剪力滯系數出現在作用點處，而均布荷載的則出現在支座附近；圖8中a還表明，豎向集中荷載作用下剪力滯效應發生在有限的作用范圍內，距離荷載作用點越近，剪力滯效應越強，且當達到距離一定程度時，剪力滯效應將趨于穩定。

3 結論

通過空間有限元模型分析了不同參數對簡支鋼—混凝土組合箱梁的剪力滯效應的影響，得出以下結論：

a）混凝土頂板和鋼箱底板剪力滯系數隨著寬跨比的增大而增大。

b）豎向集中荷載作用下的剪力滯效應與其作用位置有關，距離荷載作用位置越近，剪力滯效應越明顯；但集中荷載作用大小對混凝土頂板和鋼梁底板的剪力滯系數影響不大。

c）隨著滑移剛度的增大，混凝土頂板和鋼梁底板的剪力滯效應都具有增大的趨勢。

d）荷載類型對剪力滯效應的影響較大，跨中集中荷載作用下頂板和底板的剪力滯效應較均布荷載明顯，集中荷載作用下的最大剪力滯系數出現在作用點處，而均布荷載作用時則出現在支座附近。