張光煒 張玲瓏

摘要：目前國內(nèi)外對組合梁剪力滯影響因素的研究主要是T型截面組合截面和單箱單室組合截面，鋼-混凝土組合雙箱梁作為一種特別的組合梁結(jié)構(gòu)，剪力滯效應(yīng)問題同樣不能忽略。文章利用有限元計算分析了雙箱組合梁剪力滯效應(yīng)的影響因素。計算分析中選擇分離式雙箱組合梁截面，通過改變截面尺寸 （如寬跨比、寬高比、混凝土板厚度、鋼箱梁厚度） 和剪力連接件的抗剪剛度，研究在均布荷載作用下雙箱組合梁剪力滯效應(yīng)的影響因素，為該類橋型的設(shè)計提供一定借鑒思路。

[作者簡介]張光煒（1995—），男，碩士，助理工程師，從事橋梁和建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定工作。

鋼-混凝土組合梁[1]是由上部混凝土板和下部鋼梁通過剪力連接件組合而成的組合結(jié)構(gòu)，由于在橋梁工程當(dāng)中，混凝土板的寬度一般都較大，而鋼梁腹板的厚度較混凝土板寬度小，因此鋼-混凝土組合梁的剪力滯效應(yīng)較明顯，在橋梁工程設(shè)計當(dāng)中應(yīng)該考慮剪力滯效應(yīng)對應(yīng)力結(jié)果的影響，保證橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全?，F(xiàn)在對組合梁剪力滯的研究主要是T型截面組合梁，鋼-混凝土組合雙箱梁作為一種特別的箱梁結(jié)構(gòu)，剪力滯效應(yīng)問題同樣不能忽略。

1 鋼-混組合梁剪力滯效應(yīng)研究現(xiàn)狀

1991年，Gjelsvik[2]采用比擬桿法對鋼-混凝土T形梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究分析。2001年，Dezi等[3]人運用虛功原理，求解出了鋼-混凝土組合梁的剪力滯效應(yīng)的控制微分方程，并且分析了混凝土板的收縮徐變對組合梁剪力滯效應(yīng)的影響。2004年，程海根[4]基于能量變分原理建立了組合T梁考慮滑移效應(yīng)和混凝土收縮徐變下剪力滯效應(yīng)的微分控制方程，并且求出了一定邊界下混凝土頂板正應(yīng)力的解析公式。2004年，孫飛飛等[5]人基于能量變分原理求解出一定邊界下考慮滑移、剪力滯效應(yīng)和剪切變形效應(yīng)的組合梁撓度值。2010年，張彥玲、李運生、樊健生等[6]基于能量變分原理求解出了集中荷載作用下鋼-混凝土組合梁跨中截面應(yīng)力的解析解。2013年，戚冬艷、于東民、李文華等[7]以某大跨徑跨海斜拉橋為研究背景，對不同施工階段和汽車工況下的有效寬度系數(shù)進(jìn)行分析。

2 雙箱組合梁模型的建立

在數(shù)值模型中，混凝土頂板采用Solid45實體單元，鋼箱梁采用Shell181殼單元，為了能夠模擬出組合梁混凝土底板和鋼箱梁之間的滑移效應(yīng)，混凝土和鋼箱梁之間的剪力連接件采用Combin39線性彈簧單元模擬。

（1） 雙箱組合梁有限元模型采用等截面形式，截面如圖1所示。

（2） 截面尺寸：混凝土板寬度采用等寬度形式：b1=b2=b3=b4=b5。

（3） 材料本構(gòu)：混凝土材料：彈性模量Ec=3.45×104 MPa，泊松比μc=0.2;鋼箱梁材料：彈性模量Es=2.06×105 MPa，泊松比μs=0.3;單位截面彈簧單元的剪切剛度：K=6×105 N/m。

（4） 邊界條件：本次模擬分析中，選取簡支邊界。

（5） 有限元模型見圖2、圖3。

3 剪力滯效應(yīng)的影響分析

3.1 滑移效應(yīng)對剪力滯效應(yīng)的影響分析

研究滑移效應(yīng)對剪力滯效應(yīng)的影響規(guī)律分析時，模型中僅改變彈簧的剪切剛度。對彈簧剛度的取值，參考了相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]，單位截面彈簧的總剛度依次取K1=6×105 N/m、K2=1.2×106 N/m、K3=6×106 N/m和K4=6×107 N/m，在有限元計算中橫截面共設(shè)置8個彈簧單元，每個間距100 mm。在不同滑移剛度下跨中截面頂、底板應(yīng)力以及頂板剪力滯系數(shù)分布如圖4～圖6所示。

從圖中可以看出，不同剪力連接件剛度下混凝土頂板和鋼箱梁底板的橫截面應(yīng)力分布均無明顯變化，剪力滯系數(shù)大致相同，但剪力連接件剛度對截面應(yīng)力大小有一定的影響。組合梁頂板壓應(yīng)力隨剪力連接件剛度的提高而增大，底板拉應(yīng)力隨剪力連接件剛度提高而減小，表明在雙箱組合梁中合理的剪力連接件剛度對充分發(fā)揮兩種材料的性能具有非常重要的作用。

3.2 寬跨比對剪力滯效應(yīng)的影響分析

在研究寬跨比對剪力滯效應(yīng)的影響中，保持組合雙箱梁模型的寬度不變，僅改變其跨度，從而達(dá)到改變組合梁寬跨比的目的。組合梁的寬度采用1.6 m，跨度分別取4 m、6 m、8 m、12 m和16 m，對應(yīng)的寬跨比如表1所示。

有限元計算結(jié)果組合梁跨中頂板剪力滯系數(shù)和最大剪力滯系數(shù)隨寬跨比變化如圖7、圖8所示。

從有限元計算結(jié)果中可以得出，跨中截面混凝土頂板剪力滯效應(yīng)受寬跨比影響較為明顯，當(dāng)寬跨比較大時，剪力滯效應(yīng)較明顯，當(dāng)寬跨比減小時，剪力滯效應(yīng)逐漸減弱。因此在實際工程設(shè)計中，應(yīng)注意雙箱組合梁結(jié)構(gòu)的寬跨比的合理取值，保證橋梁結(jié)構(gòu)受力的合理性。

3.3 寬高比對剪力滯效應(yīng)的影響分析

在研究寬高比對雙箱組合梁剪力滯效應(yīng)的影響中，計算過程中只改變截面鋼箱梁腹板的高度，保持混凝土頂板的寬度不變。設(shè)置5種不同的寬高比，取頂板寬度1.6 m，鋼箱梁腹板高度分別取0.3 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m和1.0 m，對應(yīng)的寬高比如表2所示。

計算結(jié)果跨中截面剪力滯系數(shù)和最大剪力滯系數(shù)如圖9、圖10所示。

計算結(jié)果表明，雙箱組合梁跨中截面混凝土頂板剪力滯效應(yīng)受寬高比影響較為明顯，當(dāng)寬高比較大時，剪力滯效應(yīng)較為明顯，剪力滯系數(shù)較大。隨著寬高比的減小，剪力滯效應(yīng)逐漸減弱，剪力滯系數(shù)逐漸減小。當(dāng)寬高比小于1.5后，跨中截面剪力滯系數(shù)趨于平緩。從圖中可以看出寬高比對頂板的剪力滯效應(yīng)影響比較大，因此在設(shè)計中應(yīng)對寬高比予以足夠的重視。

3.4 混凝土頂板厚度對剪力滯效應(yīng)的影響分析

在研究混凝土板厚度對雙箱組合梁剪力滯效應(yīng)的影響規(guī)律計算分析時，改變混凝土板的厚度，分別采用了4種厚度為t1=10 cm、t2=12 cm、t3=15 cm和t4=20 cm，在計算過程中保持其他參數(shù)不變。跨中截面頂板正應(yīng)力分布和剪力滯系數(shù)分布如圖11、圖12所示。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

計算結(jié)果顯示，雙箱組合梁簡支結(jié)構(gòu)在均布荷載作用下，在相同荷載作用下，雖然跨中截面頂板應(yīng)力大小不同，但其分布特點基本一致，混凝土頂板厚度對剪力滯效應(yīng)的影響較小。所以混凝土板的厚度對剪力滯效應(yīng)的影響很微弱，研究剪力滯效應(yīng)時可以忽略其影響。

3.5 鋼箱梁厚度對剪力滯效應(yīng)的影響分析

在計算過程中保持其他參數(shù)不變，設(shè)置了4種不同類型的鋼箱梁厚度，分別為t1=10 mm，t2=15 mm，t3=20 mm和t4=30 mm。頂板正應(yīng)力分布圖和剪力滯系數(shù)如圖13、圖14所示。

從計算結(jié)果中可以分析得到，不同鋼箱梁厚度下，雖然跨中截面頂板應(yīng)力大小不同，但其分布特點基本一致，可見在一定范圍內(nèi)，鋼箱梁厚度對剪力滯效應(yīng)的影響較小。

4 結(jié) 論

本文對受均布荷載的鋼-混凝土雙箱組合梁簡支結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究了截面幾何參數(shù)和剪力連接件的抗剪剛度對剪力滯效應(yīng)的影響。通過計算分析得到結(jié)論：

（1） 界面滑移效應(yīng)對雙箱組合梁剪力滯效應(yīng)影響不大但對應(yīng)力大小分布影響較大，組合梁頂板壓應(yīng)力隨剪力連接件剛度的增大而增大，相反底板拉應(yīng)力隨剪力連接件剛度增大而減小。

（2） 在所研究截面幾何參數(shù)中，對雙箱組合梁剪力滯效應(yīng)影響最大的是寬跨比，其次是寬高比，而混凝土板厚度和鋼箱梁厚度對剪力滯效應(yīng)的影響則較小。

（3） 在寬跨比的影響當(dāng)中，當(dāng)寬跨比較大時，剪力滯效應(yīng)較為明顯，剪力滯系數(shù)較大，隨著寬跨比的減小，剪力滯系數(shù)逐漸減小。當(dāng)寬高比較大時，剪力滯效應(yīng)最明顯，當(dāng)寬高比較小時，剪力滯效應(yīng)較為微弱。

在實際工程中，鋼-混凝土雙箱組合梁的設(shè)計應(yīng)該重視剪力滯效應(yīng)，采取一定措施降低剪力滯效應(yīng)對雙箱組合梁的影響，使得結(jié)構(gòu)既能夠滿足設(shè)計要求，又能夠降低成本。

參考文獻(xiàn)

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