双幅空间桁架组合梁受力性能分析

李　强，陈建兵，陆春凯

(苏州科技学院 土木工程学院，江苏 苏州 215011)



双幅空间桁架组合梁受力性能分析

李强，陈建兵，陆春凯

(苏州科技学院 土木工程学院，江苏 苏州 215011)

摘要：双幅空间桁架组合梁是一种新型组合结构。为了解其在荷载作用下的破坏形式、变形能力、桁架各杆件的内力分布规律等，利用ABAQUS有限元软件对组合梁进行双幅加载和单幅加载下的受力性能分析。研究表明：双幅空间桁架组合梁具有良好的变形能力，组合梁的破坏原因是下弦杆发生弯曲破坏，由局部失稳导致整体失稳；单幅加载时横向联系的上腹杆受力比双幅加载时大很多，并伴随有腹杆节点的强度破坏；桁架中梁端位置的腹杆受力较大，跨中位置的腹杆受力较小；在不考虑翼板与桁架相对滑移的情况下，截面应力变化满足平截面假设。

关键词：桥梁工程；双幅空间管桁架；钢-混凝土组合梁；有限元;受力性能

双幅空间桁架组合梁是由2幅完全对称的空间桁架组合梁通过横向联系连接起来的。以空间管桁架替代传统箱梁桥的腹板和底板，空间管桁架上弦杆通过剪力连接键将混凝土翼板和空间管桁架连接在一起，从而形成组合结构体系，如图1所示。与传统箱梁桥相比，双幅空间桁架组合梁充分地利用了钢材和混凝土各自的材料性能，具有刚度大、结构截面尺寸小、承载能力高、抗震性能和动力性能优越、施工方便等优点[1-3]。

图1　双幅空间桁架组合梁模型

目前，已有学者针对单幅空间桁架的结构体系进行了相关试验研究，并取得了一定的成果[4-5]。而双幅空间桁架组合梁作为一种新型结构体系，目前对于其力学性能的研究还鲜有报道。

本文通过有限元分析软件对双幅空间桁架组合梁进行建模分析，模拟组合梁在双幅加载和单幅加载作用下的挠曲变形过程，研究组合梁在荷载作用下的承载能力变化、位移沿梁跨变化以及空间管桁架弦和腹杆的内力分布规律等。

1模型设计

双幅空间桁架组合梁试件几何尺寸如图2所示。模型全长为3 650 mm,计算跨径为3 350 mm，空间管桁架中上、下弦杆中线之间的高度为320 mm，上弦杆中线宽度为450 mm，混凝土翼板板宽为900 mm，组合梁整体宽度为2 000 mm、板厚为80 mm，下弦杆梁端处采用四点对称支撑。

混凝土翼板采用C30混凝土，上、下弦杆内灌混凝土采用C40混凝土，上、下弦杆均采用Q235B级钢，横向联系上的腹杆以及其它杆件均采用Q345B级钢。共用同一下弦杆的两倾斜桁架之间的夹角为70.2°，桁架腹杆之间设计夹角为68°。桁架中间各个节段的间距为450 mm, 上弦K型节点处腹杆间距为8 mm,下弦KK型节点处腹杆纵向间距为9 mm,横向间距为16.5 mm。剪力连接键采用开孔钢板连接件，单幅空间桁架双排布置，每一个矩形钢板条长度为200 mm、宽度为28 mm、厚度为3 mm。钢板条开孔纵向间距为150 mm，相邻钢板条纵向间距为300 mm。

图2　模型试件几何尺寸(单位：mm)

2有限元模型

图3　划分网格后的组合梁模型

采用有限元分析软件ABAQUS对双幅空间桁架组合梁进行有限元模拟分析。模拟过程中将剪力连接键和空间管桁架直接焊接在一起，混凝土翼板和空间管桁架之间的掀起和滑移忽略不计[6]。为了使空间管桁架和混凝土翼板的接触模拟更加精确，与空间桁架接触的混凝土部分按每15 mm划分一个网格，其余混凝土翼板部分按每25 mm划分一个网格，单元形状选择六面体[7],空间管桁架按每15 mm划分一个网格，单元形状选择三角形[7]。划分网格后的模型如图3所示。

组合梁翼板上的加载点位置如图4所示，加载方式为双点对称加载。设计的加载工况有2种，分别是双幅对称加载和单幅对称加载(简称双幅加载和单幅加载)，组合梁加载时采用位移分步加载。

图4　组合梁加载模型图

3双幅空间桁架组合梁受力性能分析

3.1组合梁的挠度变形和承载力分析

图5为双幅加载和单幅加载下组合梁的整体变形位移图和应力云图。从图5中可以看出：混凝土翼板和空间管桁架模型的变形基本一致；在加载过程中，弦杆和腹杆连接在一起的节点处的应力值比杆件上其它非节点位置的应力值要大一些，说明部分腹杆构件的受拉使得下弦杆发生了冲剪破坏现象；加载到一定阶段时，空间桁架组合梁的向下位移增加量突然变大，上、下弦杆内灌混凝土开始进入屈服破坏阶段，下弦杆的应力分布由跨中向梁端逐渐变小，下弦杆跨中截面最大应力达到235 MPa，混凝土翼板加载截面和跨中截面最大应力达到30 MPa,表明下弦杆跨中截面和混凝土翼板已进入塑性阶段；单幅加载模型中，虽没有荷载直接作用在右半幅组合梁翼板上，但翼板和空间管桁架都有受力，且横向联系中的腹杆受力更明显，并伴随着腹杆节点的强度破坏。

双幅空间桁架组合梁跨中截面的荷载-位移(挠度)曲线如图6所示。 在双幅空间桁架组合梁的加载初期，翼板与上、下弦杆等杆件受力均处于弹性阶段，组合梁整体工作性能良好，组合梁的荷载-位移曲线基本呈线性变化。当加载至130 kN时，双幅对称加载试件位移达到4.5 mm，单幅对称加载试件的左半幅位移达到4.1 mm、右半幅达到0.4 mm；当加载至150 kN时，荷载-位移曲线已经偏离最初的线性变化曲线，组合梁下弦杆底部及部分腹杆已进入屈服状态，组合梁的变形能力开始下降，此时双幅空间桁架组合梁已经进入弹塑性状态。此时结构继续加载，荷载-位移曲线继续保持上升趋势，且单幅加载试件要比双幅加载试件更加明显，但跨中截面的向下位移已经出现非常明显的增大趋势。

图5　组合梁的整体变形位移图和应力云图

图6　荷载-位移曲线

图7为双幅加载和单幅加载下组合梁翼板跨中横断面不同点的荷载-位移曲线。由图7可以看出:双幅加载下组合梁翼板横向各点的向下位移大致相等；而单幅加载下组合梁翼板横向各点的向下位移相差比较大，在同一等级荷载作用下的左半幅翼板的左边缘位移最大、右边缘位移最小，左边缘测得的向下位移至少要比右边缘大1 mm左右，可以看出组合梁在单幅加载作用下发生了一定程度的扭转现象。

图7　组合梁翼板跨中截面不同点的荷载-位移曲线

图8为双幅加载和单幅加载下双幅空间桁架组合梁位移(挠度)沿梁跨的变化曲线。由图8可以看出:弹性阶段中位移沿梁跨的变化相对比较平缓；而当组合梁下弦杆开始进入塑性阶段后，各截面实测位移值的增量显然要比弹性状态时有所增大；而当组合梁加载至220 kN时，沿梁跨特别是跨中截面附近位移急剧增加，此时双幅加载构件跨中位移达到17.8 mm、单幅加载构件达到11.1 mm，位移沿梁跨变化曲线已经呈现出上凸形态,且组合梁后期加载过程中双幅加载构件跨中截面位移增量要比单幅加载时大。

图8　位移沿梁跨的变化曲线

通过提取下弦杆底部、侧部、顶部和上弦杆侧部以及混凝土翼板底部、侧部、顶部的应力值大小，可以得到双幅加载和单幅加载下组合梁构件的跨中截面应力值大小沿梁高的变化曲线，正值表示拉应力、负值表示压应力(见图9)。从图9中可以看出，应力沿梁高的变化曲线出现了2个转折点，即上弦杆侧部和下弦杆顶部，说明组合梁在加载过程中截面应力变化与平截面假设并不完全相符。如果仅考虑下弦杆的侧部应力和翼板的顶部应力，其规律仍符合平截面假设。此外，图9中截面应力随截面高度的变化规律显示出双幅空间桁架组合梁的中和轴位于翼板下缘附近，并随着荷载的增加有中和轴上移的趋势。

图9　组合梁跨中截面应力值大小沿梁高变化曲线

3.2空间管桁架各杆件的应力对比分析

图10　空间管桁架部分杆件编号图

图10为空间管桁架部分杆件编号图，图11和图12为双幅加载和单幅加载下空间桁架组合梁跨中截面的上、下弦杆顶部、侧部和底部平均应力随荷载变化的关系曲线。由图11、图12可以看出：对于双幅加载构件，在组合梁的弹性范围内，上、下弦杆顶部、侧部和底部测点的平均应力随荷载基本呈线性变化，而当模型加载至弹塑性阶段时，由于双幅空间桁架组合梁的中和轴上移，应力随荷载变化曲线呈现非线性；上弦杆的顶部应力为受压应力为负，侧部和底部应力为受拉应力为正，可以判断组合梁的中和轴位置大致位于上弦杆顶部的下面；在组合梁进入屈服阶段时，无论是双幅加载还是单幅加载，下弦杆只有底部达到了极限强度(235 MPa),而顶部、侧部测得的应力均未达到极限强度，说明双幅空间桁架组合梁被破坏的原因是下弦杆底部管壁达到抗拉极限强度从而导致下弦杆的弯曲破坏；单幅加载弹性阶段中，左半幅下弦杆的测得的应力是右半幅的2倍左右，表明力在横向联系中的传递对另一幅弦杆的应力分布有着较大的影响。

图11　上弦杆跨中截面荷载-应力曲线

图13是双幅加载模型在130 kN荷载作用下各腹杆四周W1、W2、W3和W4四个测点的应力平均值的对比曲线。

由图13可以看出：空间管桁架沿纵向的各个腹杆中倾斜于梁端方向腹杆为受拉杆件，而倾斜于跨中方向的腹杆为受压杆件。无论是受拉杆件还是受压杆件，从腹杆周边应力平均值的对比曲线中可以看出，其应力大小基本是由跨中到梁端逐渐增大。

图14为横向联系中各腹杆四周平均应力值随荷载变化曲线。从图14可以看出：单幅加载时横向联系中的腹杆受力要比双幅加载时大得多，弹性阶段时同一等级荷载下腹杆单幅加载时应力值大小是双幅加载的6.8倍左右；双幅加载或单幅加载时，倾斜于加载方向的腹杆平均应力总是大于倾斜于相反方向的腹杆。

图12　下弦杆跨中截面荷载-应力曲线

图13　桁架腹杆平均应力对比曲线

图14　横向联系腹杆荷载-应力曲线

4结论

通过运用ABAQUS有限元分析软件对双幅空间桁架组合梁进行受力性能分析，得到以下结论：

(1)双幅加载和单幅加载作用下双幅空间桁架组合梁的位移(挠度)、应力分布等呈现出相似的规律，单幅加载时横向联系中的杆件受力要比双幅加载时大很多，并伴随有腹杆节点的强度破坏。

(2)双幅空间桁架组合梁的破坏形式为下弦杆管壁达到抗拉极限强度后导致下弦杆发生弯曲破坏，由局部失稳从而导致整体失稳。单幅加载作用还使得组合梁发生了一定程度的扭转现象。

(3)空间管桁架中靠近梁端位置的腹杆受力比其它位置的腹杆要大，因此梁端位置的腹杆可以考虑内灌混凝土或者使用强度更高的钢材料。

(4)在不考虑混凝土翼板与空间管桁架相对滑移的情况下，截面应力变化满足平截面假设。

参考文献

[1]刘玉擎. 组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社, 2005.

[2]朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]聂建国，刘明.钢-混凝土组合结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[4]陈建兵，陈荣，李强.空间圆管桁架混凝土组合梁受力性能试验研究[J].世界桥梁，2014，42(5):41-47.

[5]陈建兵，李夏元，陈荣.考虑剪切变形影响的空间管桁架组合梁挠度计算与分析[J].建筑结构，2014，44(22):45-51.

[6]聂建国.钢-混凝土组合结构设计原理与实例[M].北京：科学出版社，2009.

[7]马晓峰.ABAQUS 6.11有限元分析(从入门到精通)[M].北京：清华大学出版社，2013.

Bearing performance of double space truss composite beams

LI Qiang，CHEN Jian-bing，LU Chun-kai

(SchoolofCivilEngineering，SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011，China)

Abstract：Double space truss is a new type of composite structure.To understand its the internal force distributions of damage forms in loads,deformation ability,spatial pipe truss of bar under vertical loads,and by using ABAQUS finite element software in composite beams to double amplitude loading to analyze the mechanical properties under the single loading.Research shows that the double space truss composite beams have good ability of deformation of composite beams,the damage cause of bottom lies in its chord bending,causing overall buckling by local instability;A single load lateral contact force to the abdomen rod increases more than double amplitude loading with the CHS node destruction;Spatial pipe truss centre sill end position of the diagonal loading is larger and its cross diagonal loading position is smaller;Without considering relative slip of the wing and spatial pipe truss,the stress changes meet the flat section assumption.

Key words：bridge construction;double space truss;steel-concrete composite beams; finite element; stress performance

中图分类号：TU398+.9

文献标识码：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.007

文章编号:1674-7046(2016)01-0039-07

作者简介：李强(1989—)，男，江苏徐州人，硕士研究生。通讯作者：陈建兵(1968—)，男，河南汝阳人，副教授,硕士研究生导师。

基金项目：苏州市市级建设科研项目(2014-1-12)

收稿日期：2015-09-22