□文/王方亮

溫差在鋼-混凝土疊合梁中的作用分析

□文/王方亮

鋼-混凝土疊合梁是采用抗剪栓釘（或稱剪力傳力器）將鋼梁和混凝土板結(jié)合在一起共同工作的一種組合梁。組合材料疊合梁的成功設(shè)計(jì)不同于單一材料，溫度的變化引起的鋼-混凝土疊合梁應(yīng)力分布的合理考慮是疊合梁得以設(shè)計(jì)實(shí)施，材料得以合理利用的一個(gè)關(guān)鍵，有必要進(jìn)行理論分析。文中首先分析了疊合梁溫差影響的力學(xué)設(shè)計(jì)思路并依托某疊合梁為設(shè)計(jì)背景進(jìn)行了試算。

鋼-混凝土；疊合梁；溫度力；滑移應(yīng)變；溫差

與傳統(tǒng)單一材料梁相比較，鋼-混凝土疊合梁充分發(fā)揮了鋼材受拉以及混凝土受壓的材料特性，鋼筋混凝土板與鋼梁有效連接在一起工作時(shí)，能夠增大組合結(jié)構(gòu)的剛度，減小鋼梁上翼緣的截面，在活載作用下組合梁的噪聲能夠大幅度減小，優(yōu)勢(shì)明顯，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效應(yīng)均能得到體現(xiàn)［1］。因此疊合梁作為當(dāng)下橋梁設(shè)計(jì)的新寵，在多橋型方案比選中備受重視。

1　計(jì)算原理分析

由于鋼和混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的不同，外界溫度變化時(shí)，鋼-混凝土疊合梁結(jié)合面的應(yīng)力變化較敏感。工程中常用的栓釘連接是一種柔性連接。假設(shè)鋼與混凝土間的連接為絕對(duì)柔性，則有比較大的滑移現(xiàn)象，應(yīng)變被完全釋放，相應(yīng)溫差滑移應(yīng)變?yōu)?/p>

ε△t=αt·△t·L/L=αt·△t（視為不存在連接件）

式中：ε△t為兩種材料結(jié)構(gòu)結(jié)合面的滑移應(yīng)變；αt為溫度線膨脹系數(shù)（鋼材與鋼筋混凝土材料的線膨脹系數(shù)近似相等）；△t為溫差變化值（常規(guī)疊合梁取值為10～15°［2］）；L為鋼-混凝土疊合梁的跨長(zhǎng)。

滑移產(chǎn)生與兩種材料結(jié)合面的應(yīng)變方向相反，混凝土與鋼的應(yīng)變分別為

式中：ε2為混凝土的應(yīng)變；ε3為鋼的應(yīng)變；T為溫差影響在兩種材料結(jié)合面處產(chǎn)生的同結(jié)合面方向的溫度力；Ec、Es分別為混凝土與鋼的材料彈模；Ac、As分別為混凝土與鋼的截面面積；y2、y3分別為混凝土板底面到混凝土板結(jié)構(gòu)形心軸的距離與鋼梁形心軸與其上翼緣板頂部的距離；W2、W3分別為混凝土板底對(duì)截面形心軸的截面抗彎模量與鋼梁上翼緣板頂部對(duì)鋼梁截面形心軸的截面抗彎模量。

無(wú)連接假設(shè)下的幾何變形協(xié)調(diào)條件為

從而得出應(yīng)變被約束下（有連接件）的溫度力值

據(jù)經(jīng)典材料力學(xué)公式［3］得出混凝土板上下板面以及鋼梁上下翼緣板面的溫差應(yīng)力

式中：W1、W4分別為混凝土板頂對(duì)截面形心軸的截面抗彎模量與鋼梁下翼緣板頂部對(duì)鋼梁截面形心軸的截面抗彎模量。

2　工程算例

跨薊汕高速橋是天津地區(qū)新楊北公路設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)工程，分左右兩幅，位于天津塘沽段（西起塘黃路，東至港城大道）。取左幅橋梁?jiǎn)沃髁航孛孢M(jìn)行溫度力（文中僅介紹升溫，降溫同理）分析，見圖1。

圖1　混凝土疊合梁斷面

溫度力求解：

分別求解圖1中疊合梁斷面的①、②、③、④四個(gè)點(diǎn)（分別代表了混凝土板上、下板面處以及鋼梁上、下翼緣板面處位置）的溫度應(yīng)力，見圖2。

圖2　應(yīng)力分布

溫度變化影響到兩種材料間產(chǎn)生了正負(fù)不同的應(yīng)力分布，其值與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較吻合。

沿疊合梁跨長(zhǎng)方向，剪力連接件的合理布置使得鋼與混凝土結(jié)合面的溫差滑移應(yīng)變難被釋放，可認(rèn)為在跨中大部分區(qū)段內(nèi)T為一個(gè)常量值。設(shè)計(jì)中考慮到在疊合梁的端部邊界區(qū)段連接件布置的空缺，存在無(wú)約束的滑移，即邊界條件T=0，溫度應(yīng)力也為0，此邊界區(qū)段的長(zhǎng)度與疊合梁中兩種材料的溫度伸長(zhǎng)值相關(guān)，摩阻力以及跨中大部分區(qū)域連接件的存在使得溫度力從0到T值的過(guò)渡區(qū)段＜αt·△t·L/2，也即T顯著變小直至到0的區(qū)段很小，據(jù)此在設(shè)計(jì)中沿全跨的溫差應(yīng)力按照上文計(jì)算所得結(jié)果來(lái)考慮較合理。

3　結(jié)論

1）在鋼-混凝土疊合梁中，混凝土部分對(duì)環(huán)境溫度變化的反應(yīng)慢，其導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼材部分的1/50左右，鋼-混凝土疊合梁必須考慮溫差引起的鋼梁與混凝土板梁結(jié)合面處產(chǎn)生的溫度力。

2）文中首先具體闡述了鋼-混疊合梁溫差影響的受力特點(diǎn)，假定了溫差在鋼與混凝土結(jié)合面產(chǎn)生的滑移應(yīng)變被完全約束，利用變形協(xié)調(diào)條件導(dǎo)出溫度力大小，快捷求得溫度應(yīng)力。

［1］周履，陳永春.收縮徐變［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1994.

［2］葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［3］鄭修麟.工程材料的力學(xué)行為［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

U443.35

C

1008-3197（2016）04-66-02

2016-01-18

王方亮/男，1988年出生，助理工程師，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院天津分院，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.026