大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板有效宽度分析

张晓东　张克跃　翁雪峰

(中铁五局集团建筑工程有限责任公司，贵州 贵阳　550001)

0　引言

对于大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板的体系分析，本质上属于材料力学的范畴，其关键在于确定翼板的有效宽度[1]。作为一种新型结构，目前关于该类结构基本力学特性的研究较少。并且在实际应用过程中，常采用忽略剪力滞效应影响的做法，这样将会低估腹板和翼板交接处的挠度和应力，从而导致部分梁桥出现横向裂缝，直接危及桥梁结构的安全性。大多研究者发现[2]：有效宽度在结构的截面特征参数中起着重要的作用，通过合理的有效宽度取值考虑剪力滞效应的影响确保计算准确性。

1　有效宽度的分析与计算方法

1.1　有限元法

在钢—混组合结构中，梁和板经过一定方式连接而共同作用，它们的受力并不是简单相加两者的受力性能，它们在各自的空间方向的作用是不能忽视的，有限元空间分析[3]大多采用ANSYS软件，它的分析步骤是：

1)对结构进行离散化处理，利用网格把分析的结构进行分割。

2)求解唯一关系，分析计算单元刚度矩阵。

3)叠加换成整体的刚度矩阵。

4)加载。

5)确定单元的边界。

6)求解，计算位移。

7)对单元做循环，计算出单元的力。

1.2　有效宽度的计算

有效宽度be的计算图如图1所示。

根据截面上合力等效的原则混凝土横截面上压力的合力为：

(1)

最大应力处即钢梁腹板与混凝土板翼缘交界处：

(2)

由组合梁翼缘有效宽度定义方法，为使混凝土中合力不变，即：

F=σmaxbe

(3)

联立以上三式得：

(4)

而另外一种定义则不在Y方向做积分：

(5)

考虑到混凝土本构的复杂性，以及积分计算的难度，目前通常采用式(1)～式(5)来对组合梁有效宽度进行计算。

综合考虑有限元法的思想，认为只要翼板混凝土网格划分的精度够高，那么有限元分析出的结果的精确度是达到要求的[4]。

2　有限元模型的建立与分析

2.1　模型参数

运用有限元软件ANSYS建立了有限元模型，各个部件主要材料见表1，具体的几何尺寸见表2。

在计算模型上，利用子模型法，进行边界切割，读取该部分边界在整体中的边界条件。该方法可以使局部的计算结果更为准确，而且降低了计算量。切割出来的子模型b为4 m，同时对切割出来的子模型的网格进行细化，具体如仿真模型见图2，子模型及网格划分见图3。

表1　材料主要物理指标

表2　各组成构件的尺寸

2.2　有效宽度影响因素

为了研究分析荷载类型与沿跨方向对大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板翼板有效宽度的影响，选择了3种不同的加载方式，如图4所示。沿跨方向选择分别计算1/8～7/8截面的有效宽度。宽跨比选择了0.1～0.8，其中子模型的宽度保持不变，改变跨度来改变宽跨比。在加载的时候，通过一步步加载，直到混凝土压碎破坏，而极限荷载以混凝土达到标准抗压值为标志。

2.3　影响因素规律分析

为便于阐述各种荷载形式下大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板翼缘有效宽度的变化，引入有效宽度比α指标：表示有效宽度be与组合梁实际宽度b的比值。α越小说明剪力滞效应越明显，应力越集中，反之，则不明显。

本文通过加载3种不同类型的荷载形式，如图4所示，分别是线性均布荷载、腹板跨中集中荷载、腹板1/4和3/4对称四分点荷载。为了研究在沿跨方向上，该结构有效翼缘宽度的规律，我们分别对1/8～7/8沿跨断面进行计算对比研究，同时对宽跨比也做了分析。

由图5可知，在均布荷载作用下，大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板翼缘有效宽度在同种宽跨比的条件下沿跨方向呈“钟形”变化，变化均匀平滑，先增大后减小，在跨中处应力集中最明显。

由图6可知，在跨中集中荷载的作用下，大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板翼缘有效宽度沿跨方向呈“M”形变化，其在1/4截面和3/4截面的加载处取得最大值，在跨中位置取得最小值。

由图7可知，在对称四分点荷载的作用下，大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板翼缘有效宽度沿跨方向呈“W”形变化。

同时由图5～图7综合可以看出，在各个类型荷载的作用下，宽跨比增大时，大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板的有效宽度不断的降低，应力越来越集中。

3　结语

1)宽跨比对大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板翼缘有效宽度的影响较为突出，随着宽跨比的增加，有效宽度不断减少，应力集中现象越明显。

2)不同的荷载类型对大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板有效宽度的影响不同，但是，相同荷载作用下的有效宽度变化趋势还是大体一致；对均布荷载，在跨中有效宽度最小；对集中荷载，在荷载作用处有效宽度最小。

3)在进行设计计算时，有必要根据结构承受荷载类型对正交异性钢—RPC组合桥面板的有效宽度加以考虑。