鋼管混凝土桁梁橋的剪力滯效應分析

李 暢， 鄭凱鋒， 滕 樂， 衡俊霖

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-09-27

鋼管混凝土構件有著強度高、延性好、施工便捷等優良性能，采用鋼管混凝土桁架代替混凝土箱梁的腹板和底板，形成了由混凝土頂板、鋼管混凝土桁架共同受力的結構體系[1]。1996年建成的廣東南海紫洞大橋首次采用了鋼管混凝土桁式結構，主橋跨度達140 m。隨后建成的重慶萬安大橋、重慶萬州大橋、湖北向家壩大橋又分別在斜拉橋、連續剛構橋、連續梁橋的主梁中采用了鋼管混凝土桁式結構。2012年建成的雅西高速公路干海子大橋是對鋼管混凝土桁式結構的一次突破性應用，采用中等跨徑的連續剛構與連續梁組成的混合橋型，全長達1.8 km[2]。

1 空間有限元模型的建立

1.1 工程概況

某鋼管混凝土桁架梁橋采用標準跨徑的40 m簡支結構，橋寬為12.15 m，梁高為4.2 m。梁體由主要承載的鋼管混凝土主桁梁與其上的鋼-混凝土組合橋面板組成。下弦鋼管直徑為670 mm，壁厚24 mm，腹桿直徑為402 mm，壁厚由支座處18 mm依次變化到跨中12 mm。橋面板是在6 mm厚的底鋼板上澆筑C40高抗裂低收縮鋼纖維混凝土，二者通過開孔鋼板剪力鍵和穿孔鋼筋剪力鍵形成鋼-混凝土組合橋面板，底鋼板既為受力構件，又是澆筑混凝土時的底模，橋面板標準厚度為150 mm，有橫肋處厚度為350 mm，縱肋處高度為700 mm。橋梁立面和截面尺寸分別如圖1、圖2所示。

圖1 某橋立面布置(單位： mm)

(a) 標準斷面

(b)橫梁斷面圖2 某橋橫斷面(單位： mm)

1.2 有限元模型

MIDAS/FEA是土木領域專用的非線性分析與詳細分析軟件[3]，本模型采用此軟件進行建模。頂板混凝土和鋼管內混凝土采用實體單元模擬，橋面鋼底板和鋼管采用板殼單元模擬，鋼管和鋼管內混凝土不考慮滑移的影響。主梁橋面板采用C40混凝土，彈性模量3.25×104MPa，容重2.5 t/m3；鋼管采用Q345C，彈性模量2.06×105MPa，容重7.85 t/m3。空間有限元模型如圖3所示，總共有330 178個節點，415 594個單元。

圖3 全橋有限元計算模型

2 剪力滯效應分析

工程上一般用剪力滯系數λ來衡量頂板正應力沿橫向的不均勻程度，通常定義為梁的實際彎曲應力與按初等梁理論得到的彎曲應力的比值[4]：

(1)

式中：σmax為考慮剪切變形求得的截面最大正應力(一般指腹板位置對應的頂底板正應力)；σ0為按初等梁理論求得的截面正應力。由于組合桁梁結構復雜，用初等梁理論較難準確求出截面正應力。本文用截面正應力沿橫向的平均值來代替σ0。

當λ>1時，為正剪力滯效應，當λ<1時，為負剪力滯效應。

2.1 均布荷載作用下剪力滯效應橫向變化規律

為研究節點區域復雜應力狀態下的規律，詳細分析節點區域的截面，截面編號及位置如圖4所示。E截面為節點中心位置，A、B、C、D截面位于節點靠近受壓腹桿一側，F、G、H、I截面則位于節點靠近受拉腹桿一側。

圖4 截面編號及位置

各截面的剪力滯效應如圖5所示。靠近節點的D、E、F截面出現負剪力滯效應，其余截面則表現為正剪力滯效應。其中，節點中心的E截面負剪力滯效應水平最高，越往兩側其負剪力滯效應水平逐漸降低并過度到正剪力滯效應，節間跨中截面的剪力滯系數最大為1.12。

(a) 截面A～E

(b) 截面E～I圖5 各截面剪力滯系數橫向分布

2.2 剪力滯效應縱向變化規律

為了深入研究剪力滯效應沿整個橋長方向的變化規律，分別分析了在集中荷載沿橋縱向移動時相應的受載截面和均布荷載作用下各截面的剪力滯系數[5]。

如圖6所示，集中荷載作用時，在每個節點位置剪力滯系數都有明顯的下降，除開節點位置，橫截面的剪力滯系數從橋跨L/4到橋跨3L/4范圍內變化不大。考慮到節點位置的剪力滯系數是降低的，可以近似取這部分為相同值1.51，從四分點到支座處剪力滯系數增長較快。

圖6 集中荷載作用下各截面剪力滯系數變化

如圖7所示，均布荷載作用時，同集中荷載作用規律類似，即在節點位置處剪力滯系數都有不同程度的降低，不同的是均布荷載作用下節點位置的剪力滯系數都小于1，即表現為負剪力滯效應，且越靠近端點位置，其負剪力滯效應越明顯，最低為0.23。遠離支座附近的剪力滯系數在0.67～1.15之間。

圖7 均布荷載作用下各截面剪力滯系數變化

3 結束語

以某鋼管混凝土桁梁橋為背景建立空間有限元模型，研究該橋在集中荷載和均布荷載作用下的剪力滯效應，得到以下結論：

(1)鋼管混凝土桁梁橋在豎向荷載作用下，全橋各截面均出現了正應力不均勻分布現象，其中橋面板在節間表現為正剪力滯效應，節點處表現為負剪力滯效應。

(2)集中荷載越接近支點附近作用時，剪力滯系數越大，在左四分點到右四分點范圍內變化不大。

(3)均布荷載的分布規律同集中荷載相似，但剪力滯系數均較集中荷載作用時小。

[1] 張聯燕,李澤生,程懋方.鋼管混凝土空間桁架組合梁式結構[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2] 陳寶春,牟廷敏,陳宜言,等.我國鋼-混凝土組合結構橋梁研究進展及工程應用[J].建筑結構報,2013(S1):1-10.

[3] 北京邁達斯技術有限公司. FEA用戶手冊第二冊-分析與計算原理[Z].

[4] 韋成龍,曾慶元,劉小燕.板桁結合梁剪滯效應分析的有限段法[J].橋梁建設,2000(3):11-13.

[5] 吳文清,萬水,葉見曙，等.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應的空間有限元分析[J].土木工程學報, 2004, 37(9): 31-36.