小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋剪力滯效應研究

唐國喜, 邱體軍

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

鋼板組合梁橋由工字鋼板梁與鋼筋混凝土橋面板通過剪力鍵連接形成。這種組合結構充分利用了鋼材和混凝土的材料性能,其具有承載力高、剛度大、抗震性能和動力性能好、構件截面尺寸小、施工快速方便等優點[6]。

清華大學聶建國等[1,2]等學者在2002年對鋼混組合梁的受扭性能進行了一部分研究。研究主要針對的是不同加載方式對組合梁受扭性能的影響。胡少偉等[1]學者在2008年對總數為21根的組合梁進行分別為純扭、彎扭、彎剪扭的有關試驗。由于傳統的鋼板組合梁的整體性不夠好,因此,關鍵聯結部位的設計顯得尤為重要。為解決傳統的鋼板組合梁的整體性不足問題,嚴加寶[3]提出了一種采用增強槽鋼連接件的雙鋼板-混凝土組合結構,并對其進行了四點彎曲試驗。程子涵[4]以某中等跨徑鋼板組合梁橋為背景,分別從荷載橫向分布、整體穩定性及負彎矩區受力性能三方面對鋼板組合梁橋的橫向聯結等關鍵受力問題進行了研究與探索。針對施工階段鋼板組合梁橋的受力性能,張華武[5]基于有限元模型計算分析,總結了鋼-混組合梁橋的設計理論及驗算方法,同時研究了鋼-混凝土組合梁橋型在施工階段和使用階段的結構受力性能、施工性能、結構自重影響效應等方面。廖品博[12]分析了組合梁在頂推施工過程的受力,同時模擬了其在施工中的受力狀態。

相比于傳統的混凝土梁橋,鋼板組合梁橋因自重輕而具有較好的抗震性能。胡章亮[7]基于Opensees和SAP2000有限元軟件研究了支撐橫梁體系鋼板組合梁橋結構動力特性和地震響應規律特點以及對于不同設計參數的敏感度。張志威[8]基于SAP2000建立了鋼板組合梁橋的抗震有限元模型,分析了梁和板剛度的變化對橋梁結構的動力特性的影響。

從以上分析可以發現,國內針對鋼板組合梁的研究,主要集中在抗彎、抗剪和抗震性能上,而針對剪力滯效應的研究卻不多。主要有邵真寶[9]應用能量變分法推導出雙主梁鋼板組合梁的剪力滯后效應基本微分方程,得到簡支組合梁梁截面不同荷載工況下應力解公式。馬天[10]對傳統的鋼板組合梁橋的剪力滯效應進行了研究,李興坤[11]研究了波形鋼腹板組合梁的剪力滯效應。而國內針對小半徑曲線主梁鋼板組合梁橋的剪力滯效應的研究十分有限,因此,本文以某高速公路匝道橋采用的小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋作為研究對象,分析了在恒載+車道外偏載情況下,曲率半徑和計算跨徑對于雙主梁鋼板組合梁剪力滯效應的影響,以期為該類橋梁的設計和施工提供借鑒。

1 項目概況

本文以某高速公路匝道采用的小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋為依托工程,取其中具有代表性的一聯4×25 m跨徑組合。其中,橋面板采用C50混凝土,箍筋采用HPB300,縱筋采用HRB400;鋼主梁、端橫梁、中橫梁及小橫梁均采用Q345工字直腹鋼板,剪力釘采用ML15。鋼板組合梁標準橫斷面如圖1所示。該橋全長100 m,平曲線半徑為250 m,混凝土橋面板寬10.5 m,高370 mm,混凝土橋面板和鋼梁通過剪力釘連接,雙主梁之間采用橫梁加強橫向聯系,在全橋范圍內等間距布置端橫梁和中橫梁,并在端橫梁與中橫梁之間等間距布置4個小橫梁,橋梁支座布置形式如圖2所示。

圖1 橋面板標準橫斷面圖

圖2 支座布置圖

2 有限元模型

本文采用ABAQUS軟件平臺建立了小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋的精細化非線性實體有限元模型,其中,混凝土材料采用塑性損傷模型;鋼筋和鋼材采用理想彈塑性模型。鋼筋采用T3D2兩結點線性三維桁架單元,其余部件均采用C3D8R八結點線性六面體單元進行建模[3]。模型假定橋梁中的剪力釘一直處于良好的工作狀態,將剪力釘的剪力連接作用進行簡化處理,從而直接將混凝土橋面板和鋼主梁采用綁定接觸進行連接,同時忽略鋼筋與混凝土的相對滑移,將鋼筋網直接內置在混凝土橋面板內部[3]。平曲線半徑R=250 m的小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋有限元模型如圖3所示。

圖3 曲線雙主梁鋼板組合梁橋精細化非線性實體有限元模型

3 結果分析

采用小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋的精細化非線性實體有限元模型,分析了在恒載+車道外偏載情況下,曲率半徑和計算跨徑對于雙主梁鋼板組合梁剪力滯效應的影響規律。

3.1 曲率半徑對剪力滯效應的影響規律研究

本小節主要探討曲率半徑對小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋剪力滯效應的影響,故在實橋的基礎上,將平曲線半徑從100～300 m每間隔50 m選取一個曲率半徑,其他設計參數與實際橋梁一致,共建立了5個計算跨徑為4×25 m、曲線半徑不同的雙主梁模型有限元模型。對比研究在恒載+車道外偏載組合作用下,關鍵截面的剪力滯系數分布特性,其中,關鍵截面分別為第一跨和第二跨間的支點(中支點1)截面、第二跨和第三跨間的支點(中支點2)截面、第一跨跨中(跨中點1)截面以及第二跨跨中(跨中點2)截面。

圖4顯示了在不同曲率半徑情況下,兩個中支點截面的剪力滯系數橫向分布規律。分析圖4可知,中支點處剪力滯效應隨曲率半徑的增大而增大,中支點1和中支點2在鋼主梁處剪力滯系數最大相差9%左右。

圖4 不同曲率半徑下中支點截面的剪力滯系數橫向分布規律圖

圖5顯示了不同曲率半徑情況下,兩個跨中截面的剪力滯系數橫向分布規律。分析圖5可知,整體上剪力滯效應隨著曲率半徑的減小變得更加明顯。不同曲率半徑的剪力滯系數在兩根鋼主梁之間差異很小;在外側鋼主梁對應頂板處剪力滯系數隨曲率半徑的增大而減小,兩截面最大相差分別為9.8%和10.9%;內側則相反,且剪力滯系數均小于1。對比圖5(a)和圖5(b)可知,第二跨跨中截面的剪力滯效應比第一跨跨中截面更顯著,表明在橋中部更需要注意剪力滯效應。

圖5 不同曲率半徑下跨中截面的剪力滯系數橫向分布規律圖

圖6顯示了不同曲率半徑的曲線雙主梁鋼板組合梁橋剪力滯系數沿縱橋向的分布規律,沿縱橋向共取6個關鍵截面,其中,6.25 m處為第一跨四分之一截面,9.5 m處為第一跨上最大彎矩截面,12.5 m處為第一跨跨中截面,25 m處為中支點1截面,37.5 m為第二跨跨中截面,50 m為中支點2截面,且剪力滯系數取值為外側鋼梁對應的頂板剪力滯系數。分析圖6可知,除中支點1外,剪力滯系數沿縱向整體上升,在各截面上曲率半徑對剪力滯系數的影響規律并不顯著。

圖6 不同曲率半徑下剪力滯系數在縱橋向上的分布規律圖

綜上所述,曲率半徑對中支點截面和跨中截面剪力滯效應的影響具有一定差異,中支點截面剪力滯效應隨著曲率半徑的增大而增大,而跨中截面則相反。剪力滯系數沿縱向整體上升,但在各截面上曲率半徑對剪力滯系數的影響規律并不明確。

3.2 計算跨徑對剪力滯效應的影響規律研究

本小節主要討論計算跨徑對小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋剪力滯效應的影響,故在實橋的基礎上,建立4×20 m、4×25 m、4×30 m和4×35 m四種計算跨徑且平曲線半徑為R=250 m的小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁有限元模型,對比研究在恒載+車道外偏載組合作用下關鍵截面的剪力滯效應分布規律,其中,關鍵截面與3.1節中一致。

圖7顯示了不同計算跨徑下剪力滯系數的橫向分布規律,分析圖7可知,剪力滯效應隨計算跨徑的增大而逐漸減小,計算跨徑為4×20 m模型中支點1截面外側鋼梁剪力滯系數為1.58,比4×35 m模型大58%;計算跨徑為4×20 m模型中支點2截面外側鋼梁剪力滯系數為1.72,比4×35 m模型大72%。中支點2截面比中支點1截面的剪力滯效應更為明顯,各模型中支點2截面剪力滯系數平均比中支點1截面大10.9%。

圖7 不同計算跨徑下中支點截面的剪力滯系數橫向分布規律圖

圖8顯示了不同計算跨徑下跨中截面剪力滯系數的橫向分布規律,分析圖8可知,計算跨徑較小的4×20 m和4×25 m鋼板組合梁的剪力滯效應比4×30 m和4×35 m更加明顯一些。在兩跨跨中截面,內側鋼主梁剪力滯系數隨著計算跨徑的增大而減小,例如計算跨徑4×20 m的內側鋼主梁剪力滯系數比4×35 m的分別大11%和28%。但是,第一跨跨中截面外側鋼主梁的剪力滯系數總體上隨計算跨徑的增大而增大,最大相差6.7%,第二跨跨中截面外側鋼主梁的剪力滯系數則隨計算跨徑的增大而減小,最大相差11%。對比圖8(a)和圖8(b)可知,第二跨跨中截面的剪力滯系數整體比第一跨跨中截面更大,平均大4.3%。

圖8 不同計算跨徑下跨中截面的剪力滯系數橫向分布規律圖

圖9顯示了剪力滯系數沿縱橋向的分布規律,其中,沿縱橋向共取6個關鍵截面,與3.1節中的圖6一致。分析圖9可知,除支點截面外,其他截面外側鋼主梁對應頂板剪力滯系數沿縱向逐漸增大;在同一截面上剪力滯系數隨著計算跨徑的增大而減小。

圖9 不同計算跨徑下剪力滯系數在縱橋向上的分布規律圖

綜上所述,在中支點截面,剪力滯效應隨計算跨徑的增大而減小。在跨中截面,內側鋼主梁剪力滯系數隨著計算跨徑的增大而減小,外側鋼主梁剪力滯系數則表現為邊跨剪力滯系數隨計算跨徑的增大而增大,中間跨剪力滯系數隨計算跨徑的增大而減小,但規律性并不顯著。在縱橋向,除支點截面外,其他截面外側鋼主梁對應頂板的剪力滯系數沿縱向逐漸增大;在同一截面上剪力滯系數隨著計算跨徑的增大而減小。

4 結 論

本文以某高速公路匝道橋采用的小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋為研究對象,分析了在恒載+車道外偏載情況下,曲率半徑和計算跨徑對于雙主梁鋼板梁剪力滯效應的影響,并獲得主要結論如下:

(1) 曲率半徑對支點截面和跨中截面剪力滯效應的影響具有一定差異,支點截面剪力滯效應隨著曲率半徑的增大而增大,而跨中截面則相反。剪力滯系數沿縱向整體上升,但在各截面上曲率半徑對剪力滯系數的影響規律并不明確。

(2) 支點截面的剪力滯效應隨計算跨徑的增大而減小;在跨中截面,外側鋼主梁剪力滯效應隨計算跨徑的增大而增大,中間跨剪力滯效應隨計算跨徑的增大而減小,但規律性并不顯著。在縱橋向,除支點截面外,其他截面外側鋼主梁對應頂板的剪力滯系數沿縱向逐漸增大;在同一截面上剪力滯系數隨著計算跨徑的增大而減小。

(3) 總體來說,對于多跨連續的小半徑曲線雙主梁鋼板組合梁橋,中間跨的剪力滯效應比邊跨要大。