曲線鋼混凝土組合梁橋剪力滯效應(yīng)影響參數(shù)研究

張 海，張敬軒，孫 潭

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽市 110168)

0 引言

眾所周知，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要采用合理的設(shè)計方法，選取合適的結(jié)構(gòu)材料，充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能。鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)就是在此基礎(chǔ)上充分發(fā)揮鋼材抗拉、混凝土抗壓能力結(jié)合而成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。將組合結(jié)構(gòu)、曲線梁和連續(xù)梁結(jié)合起來，形成的曲線連續(xù)組合梁將兼具三者的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。因此，對于曲線連續(xù)組合梁的受力性能研究日益得到關(guān)注[1]。

對于鋼-混凝土組合曲線箱梁橋的剪力滯后效應(yīng)的研究，還處于初級階段，尤其是變參數(shù)對于它們的影響的研究，這些研究對于了解鋼-混凝土組合曲線箱梁橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是重要的因素之一。目前，研究鋼-混凝土組合曲線箱梁橋的剪力滯后效應(yīng)最直接、最有效的方法還是計算機(jī)模擬，并且對于各種軟件的二次開發(fā)，也處于研究的初級階段，這些領(lǐng)域都有待學(xué)者進(jìn)一步探索[2]。

1 模型實(shí)例

1.1 模型參數(shù)

選取一兩跨超靜定曲線鋼-混凝土組合箱梁進(jìn)行分析，梁的具體參數(shù)如下：曲率半徑R=180m，梁弧長L=30m，其中第一跨跨長L1=15m，第二跨跨長L2=15m，混凝土板寬b=6m，板厚hc=0.24m，翼緣板長度b1=1.5m ，鋼箱梁高度hs=1.8m ，鋼箱梁底板寬度bs=2m，鋼腹板厚度ts=0.02m。Ec=0.3×105MPa，Es=2.0×105MPa，剪力連接件的單位剛度為K=3.0×105MPa，混凝土的泊松比為μc=0.2，鋼的泊松比為μs=0.3。截面形式，見圖1。

圖1 曲線鋼與混凝土組合箱梁截面圖

1.2 建立模型

擬采用實(shí)體單元用于模擬鋼筋混凝土翼緣板，平面板單元模擬鋼箱梁及加勁肋，剪力連接件采用梁單元進(jìn)行模擬，采用連接單元模擬橫隔板，增強(qiáng)橋梁橫向剛度[3]。

對于混凝土板，采用總應(yīng)變裂縫模型來模擬混凝土構(gòu)件的材料非線性破壞。對于混凝土的受壓硬化-軟化函數(shù)采用Thorenfeldt函數(shù)，對于混凝土受拉硬化-軟化函數(shù)采用常量函數(shù)，對于受壓，取fc=32.4MPa，對于受拉，取ft=2.65MPa。

將鋼箱梁作為理想彈塑性材料進(jìn)行模擬，開孔鋼板的屈服強(qiáng)度為fy=345MPa。當(dāng)開孔鋼板應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，應(yīng)力應(yīng)變?yōu)樾甭蕿?的曲線。在Midas FEA中對其采用Von Mises模型硬化函數(shù)進(jìn)行定義[4]。

建立模型如圖2所示。

(a)混凝土單元圖

(b)鋼箱梁單元圖圖2 梁體模型圖

2 模型分析

2.1 剪力滯后系數(shù)

剪力滯后系數(shù)(λy)是反應(yīng)剪力滯后效應(yīng)的重要參數(shù)，它可以用公式表示為式(1)，即在構(gòu)件的某一橫斷面上，翼板中某處的彎曲正應(yīng)力σy與按初等梁理論計算的該橫斷面的真實(shí)彎曲正應(yīng)力峰值σmax之比：

(1)

對于其真實(shí)應(yīng)力峰值σmax，可根據(jù)材料力學(xué)的原理求解：

(2)

其中W為截面慣性矩。

由式(1)可以看出，由于截面上真實(shí)彎曲正應(yīng)力峰值σmax的唯一性，剪力滯后系數(shù)λy與節(jié)點(diǎn)彎曲正應(yīng)力σy正相關(guān)，故通過節(jié)點(diǎn)的彎曲正應(yīng)力能間接地反映截面的剪力滯后效應(yīng)[5]。

運(yùn)用Midas FEA分析軟件，模擬鋼混凝土組合曲線箱梁橋在均布荷載作用下，通過改變曲率半徑、鋼梁截面高度及混凝土截面高度等參數(shù)，得出各節(jié)點(diǎn)位置的σy值，然后通過式(1)計算出跨中、支座截面處剪力滯后系數(shù)，以此來反映剪力滯后系數(shù)的變化規(guī)律。

2.2 曲率半徑對于剪力滯系數(shù)的影響

設(shè)定曲率半徑分別為120m、180m和240m，其他參數(shù)不變，得到結(jié)構(gòu)在各個方向上的節(jié)點(diǎn)位置剪力滯后系數(shù)圖，變化圖見圖3～圖6。

圖3 支座處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖4 跨中處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

由圖3、圖4可知，在鋼混凝土組合曲線梁橋曲率半徑保持不變的情況下，隨著節(jié)點(diǎn)與中和軸距離的增大，剪力滯系數(shù)不斷提高，在混凝土板與鋼梁的交接處達(dá)到最大值，外側(cè)翼緣板處，剪力滯系數(shù)不斷減小。

同一位置處的曲率半徑越大，剪力滯后系數(shù)越小，表明增大曲率半徑可以有效降低箱梁頂面的支點(diǎn)與跨中的剪力滯系數(shù)。

圖5 支座處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

圖6 跨中處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

由圖5、圖6可知，在鋼混凝土組合曲線梁橋曲率半徑保持不變的情況下，隨著節(jié)點(diǎn)與中和軸距離的增大，內(nèi)外側(cè)剪力滯后系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢，在底板與腹板交接處達(dá)到最大。

同一位置處的曲率半徑越大，剪力滯后系數(shù)越小，表明增大曲率半徑可以有效降低箱梁頂面的支點(diǎn)與跨中的剪力滯系數(shù)。

2.3 混凝土板厚度對于剪力滯系數(shù)的影響

設(shè)定混凝土板厚度分別為0.2m、0.24m和0.28m，其他參數(shù)不變，得到結(jié)構(gòu)在各個方向上的節(jié)點(diǎn)位置剪力滯后系數(shù)圖，變化圖見圖7～圖10。

圖7 支座處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖8 跨中處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖9 支座處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

圖10 跨中處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

由圖7～圖10可知，混凝土板厚度不發(fā)生變化時，剪力滯后系數(shù)分布規(guī)律與上述基本一致。混凝土板厚度越大，剪力滯后系數(shù)越小。

混凝土板厚度對于箱梁頂板與底板的影響大小不同，對于箱梁頂板影響較大，對于底板影響較小。對于頂板，不同厚度剪力滯后系數(shù)相差約10%；對于底板，不同厚度剪力滯后系數(shù)相差約2%。

2.4 鋼梁高度對于剪力滯系數(shù)的影響

設(shè)定鋼梁高度分別為1.5m、1.8m和2.1m，其他參數(shù)不變，得到結(jié)構(gòu)在各個方向上的節(jié)點(diǎn)位置剪力滯后系數(shù)圖，變化圖見圖11～圖14。

圖11 支座處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖12 跨中處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖13 支座處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

圖14 跨中處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

由圖11～圖14可知，鋼梁高度不發(fā)生變化時，剪力滯后系數(shù)分布規(guī)律與上述基本一致。鋼梁高度越高，剪力滯后系數(shù)越小。

鋼梁高度對于箱梁頂板與底板的影響大小不同，對于箱梁底板影響較大，對于頂板影響較小。對于頂板，不同厚度剪力滯后系數(shù)相差約3%；對于底板，不同厚度剪力滯后系數(shù)相差約12%。

3 結(jié)語

(1)曲率半徑的變化對鋼—混凝土組合曲線箱梁橋的剪力滯后效應(yīng)影響較為顯著。且節(jié)點(diǎn)的剪力滯后系數(shù)隨著曲率半徑的增大而減小。混凝土板與鋼梁交接處，鋼梁底板與腹板交界處剪力滯后效應(yīng)明顯，在實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制上述位置參數(shù)。

(2)混凝土板厚度對于頂板剪力滯后效應(yīng)較為顯著，對于鋼梁底板影響不明顯。節(jié)點(diǎn)的剪力滯后系數(shù)隨著混凝土板厚度增加而減小。改變混凝土板厚度時其對于頂板剪力滯后效應(yīng)的影響需在設(shè)計時著重考慮。

(3)鋼梁高度對于頂板剪力滯后效應(yīng)不明顯，對于鋼梁底板影響較為明顯。節(jié)點(diǎn)的剪力滯后系數(shù)隨著鋼梁高度增加而減小。改變鋼梁高度時對于鋼梁底板剪力滯后效應(yīng)的影響需在設(shè)計時著重考慮。