曲线钢混凝土组合梁桥剪力滞效应影响参数研究

张 海，张敬轩，孙 潭

(沈阳建筑大学 交通工程学院 沈阳市 110168)

0 引言

众所周知，结构设计需要采用合理的设计方法，选取合适的结构材料，充分发挥复合材料的性能。钢与混凝土组合结构就是在此基础上充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压能力结合而成的一种新型组合结构。将组合结构、曲线梁和连续梁结合起来，形成的曲线连续组合梁将兼具三者的优点，在实际工程应用中发挥出更大的优势。因此，对于曲线连续组合梁的受力性能研究日益得到关注[1]。

对于钢-混凝土组合曲线箱梁桥的剪力滞后效应的研究，还处于初级阶段，尤其是变参数对于它们的影响的研究，这些研究对于了解钢-混凝土组合曲线箱梁桥的结构稳定是重要的因素之一。目前，研究钢-混凝土组合曲线箱梁桥的剪力滞后效应最直接、最有效的方法还是计算机模拟，并且对于各种软件的二次开发，也处于研究的初级阶段，这些领域都有待学者进一步探索[2]。

1 模型实例

1.1 模型参数

选取一两跨超静定曲线钢-混凝土组合箱梁进行分析，梁的具体参数如下：曲率半径R=180m，梁弧长L=30m，其中第一跨跨长L1=15m，第二跨跨长L2=15m，混凝土板宽b=6m，板厚hc=0.24m，翼缘板长度b1=1.5m ，钢箱梁高度hs=1.8m ，钢箱梁底板宽度bs=2m，钢腹板厚度ts=0.02m。Ec=0.3×105MPa，Es=2.0×105MPa，剪力连接件的单位刚度为K=3.0×105MPa，混凝土的泊松比为μc=0.2，钢的泊松比为μs=0.3。截面形式，见图1。

图1 曲线钢与混凝土组合箱梁截面图

1.2 建立模型

拟采用实体单元用于模拟钢筋混凝土翼缘板，平面板单元模拟钢箱梁及加劲肋，剪力连接件采用梁单元进行模拟，采用连接单元模拟横隔板，增强桥梁横向刚度[3]。

对于混凝土板，采用总应变裂缝模型来模拟混凝土构件的材料非线性破坏。对于混凝土的受压硬化-软化函数采用Thorenfeldt函数，对于混凝土受拉硬化-软化函数采用常量函数，对于受压，取fc=32.4MPa，对于受拉，取ft=2.65MPa。

将钢箱梁作为理想弹塑性材料进行模拟，开孔钢板的屈服强度为fy=345MPa。当开孔钢板应力达到屈服强度后，应力应变为斜率为0的曲线。在Midas FEA中对其采用Von Mises模型硬化函数进行定义[4]。

建立模型如图2所示。

(a)混凝土单元图

(b)钢箱梁单元图图2 梁体模型图

2 模型分析

2.1 剪力滞后系数

剪力滞后系数(λy)是反应剪力滞后效应的重要参数，它可以用公式表示为式(1)，即在构件的某一横断面上，翼板中某处的弯曲正应力σy与按初等梁理论计算的该横断面的真实弯曲正应力峰值σmax之比：

(1)

对于其真实应力峰值σmax，可根据材料力学的原理求解：

(2)

其中W为截面惯性矩。

由式(1)可以看出，由于截面上真实弯曲正应力峰值σmax的唯一性，剪力滞后系数λy与节点弯曲正应力σy正相关，故通过节点的弯曲正应力能间接地反映截面的剪力滞后效应[5]。

运用Midas FEA分析软件，模拟钢混凝土组合曲线箱梁桥在均布荷载作用下，通过改变曲率半径、钢梁截面高度及混凝土截面高度等参数，得出各节点位置的σy值，然后通过式(1)计算出跨中、支座截面处剪力滞后系数，以此来反映剪力滞后系数的变化规律。

2.2 曲率半径对于剪力滞系数的影响

设定曲率半径分别为120m、180m和240m，其他参数不变，得到结构在各个方向上的节点位置剪力滞后系数图，变化图见图3～图6。

图3 支座处箱梁顶面剪力滞后系数变化

图4 跨中处箱梁顶面剪力滞后系数变化

由图3、图4可知，在钢混凝土组合曲线梁桥曲率半径保持不变的情况下，随着节点与中和轴距离的增大，剪力滞系数不断提高，在混凝土板与钢梁的交接处达到最大值，外侧翼缘板处，剪力滞系数不断减小。

同一位置处的曲率半径越大，剪力滞后系数越小，表明增大曲率半径可以有效降低箱梁顶面的支点与跨中的剪力滞系数。

图5 支座处箱梁底面剪力滞后系数变化

图6 跨中处箱梁底面剪力滞后系数变化

由图5、图6可知，在钢混凝土组合曲线梁桥曲率半径保持不变的情况下，随着节点与中和轴距离的增大，内外侧剪力滞后系数呈现出增大的趋势，在底板与腹板交接处达到最大。

同一位置处的曲率半径越大，剪力滞后系数越小，表明增大曲率半径可以有效降低箱梁顶面的支点与跨中的剪力滞系数。

2.3 混凝土板厚度对于剪力滞系数的影响

设定混凝土板厚度分别为0.2m、0.24m和0.28m，其他参数不变，得到结构在各个方向上的节点位置剪力滞后系数图，变化图见图7～图10。

图7 支座处箱梁顶面剪力滞后系数变化

图8 跨中处箱梁顶面剪力滞后系数变化

图9 支座处箱梁底面剪力滞后系数变化

图10 跨中处箱梁底面剪力滞后系数变化

由图7～图10可知，混凝土板厚度不发生变化时，剪力滞后系数分布规律与上述基本一致。混凝土板厚度越大，剪力滞后系数越小。

混凝土板厚度对于箱梁顶板与底板的影响大小不同，对于箱梁顶板影响较大，对于底板影响较小。对于顶板，不同厚度剪力滞后系数相差约10%；对于底板，不同厚度剪力滞后系数相差约2%。

2.4 钢梁高度对于剪力滞系数的影响

设定钢梁高度分别为1.5m、1.8m和2.1m，其他参数不变，得到结构在各个方向上的节点位置剪力滞后系数图，变化图见图11～图14。

图11 支座处箱梁顶面剪力滞后系数变化

图12 跨中处箱梁顶面剪力滞后系数变化

图13 支座处箱梁底面剪力滞后系数变化

图14 跨中处箱梁底面剪力滞后系数变化

由图11～图14可知，钢梁高度不发生变化时，剪力滞后系数分布规律与上述基本一致。钢梁高度越高，剪力滞后系数越小。

钢梁高度对于箱梁顶板与底板的影响大小不同，对于箱梁底板影响较大，对于顶板影响较小。对于顶板，不同厚度剪力滞后系数相差约3%；对于底板，不同厚度剪力滞后系数相差约12%。

3 结语

(1)曲率半径的变化对钢—混凝土组合曲线箱梁桥的剪力滞后效应影响较为显著。且节点的剪力滞后系数随着曲率半径的增大而减小。混凝土板与钢梁交接处，钢梁底板与腹板交界处剪力滞后效应明显，在实际工程中应严格控制上述位置参数。

(2)混凝土板厚度对于顶板剪力滞后效应较为显著，对于钢梁底板影响不明显。节点的剪力滞后系数随着混凝土板厚度增加而减小。改变混凝土板厚度时其对于顶板剪力滞后效应的影响需在设计时着重考虑。

(3)钢梁高度对于顶板剪力滞后效应不明显，对于钢梁底板影响较为明显。节点的剪力滞后系数随着钢梁高度增加而减小。改变钢梁高度时对于钢梁底板剪力滞后效应的影响需在设计时着重考虑。