钢-混双箱组合梁剪力滞效应影响因素分析

张光炜 张玲珑

摘要：目前国内外对组合梁剪力滯影响因素的研究主要是T型截面组合截面和单箱单室组合截面，钢-混凝土组合双箱梁作为一种特别的组合梁结构，剪力滞效应问题同样不能忽略。文章利用有限元计算分析了双箱组合梁剪力滞效应的影响因素。计算分析中选择分离式双箱组合梁截面，通过改变截面尺寸 （如宽跨比、宽高比、混凝土板厚度、钢箱梁厚度） 和剪力连接件的抗剪刚度，研究在均布荷载作用下双箱组合梁剪力滞效应的影响因素，为该类桥型的设计提供一定借鉴思路。

[作者简介]张光炜（1995—），男，硕士，助理工程师，从事桥梁和建筑结构检测鉴定工作。

钢-混凝土组合梁[1]是由上部混凝土板和下部钢梁通过剪力连接件组合而成的组合结构，由于在桥梁工程当中，混凝土板的宽度一般都较大，而钢梁腹板的厚度较混凝土板宽度小，因此钢-混凝土组合梁的剪力滞效应较明显，在桥梁工程设计当中应该考虑剪力滞效应对应力结果的影响，保证桥梁结构的使用安全。现在对组合梁剪力滞的研究主要是T型截面组合梁，钢-混凝土组合双箱梁作为一种特别的箱梁结构，剪力滞效应问题同样不能忽略。

1 钢-混组合梁剪力滞效应研究现状

1991年，Gjelsvik[2]采用比拟杆法对钢-混凝土T形梁的剪力滞效应进行了研究分析。2001年，Dezi等[3]人运用虚功原理，求解出了钢-混凝土组合梁的剪力滞效应的控制微分方程，并且分析了混凝土板的收缩徐变对组合梁剪力滞效应的影响。2004年，程海根[4]基于能量变分原理建立了组合T梁考虑滑移效应和混凝土收缩徐变下剪力滞效应的微分控制方程，并且求出了一定边界下混凝土顶板正应力的解析公式。2004年，孙飞飞等[5]人基于能量变分原理求解出一定边界下考虑滑移、剪力滞效应和剪切变形效应的组合梁挠度值。2010年，张彦玲、李运生、樊健生等[6]基于能量变分原理求解出了集中荷载作用下钢-混凝土组合梁跨中截面应力的解析解。2013年，戚冬艳、于东民、李文华等[7]以某大跨径跨海斜拉桥为研究背景，对不同施工阶段和汽车工况下的有效宽度系数进行分析。

2 双箱组合梁模型的建立

在数值模型中，混凝土顶板采用Solid45实体单元，钢箱梁采用Shell181壳单元，为了能够模拟出组合梁混凝土底板和钢箱梁之间的滑移效应，混凝土和钢箱梁之间的剪力连接件采用Combin39线性弹簧单元模拟。

（1） 双箱组合梁有限元模型采用等截面形式，截面如图1所示。

（2） 截面尺寸：混凝土板宽度采用等宽度形式：b1=b2=b3=b4=b5。

（3） 材料本构：混凝土材料：弹性模量Ec=3.45×104 MPa，泊松比μc=0.2;钢箱梁材料：弹性模量Es=2.06×105 MPa，泊松比μs=0.3;单位截面弹簧单元的剪切刚度：K=6×105 N/m。

（4） 边界条件：本次模拟分析中，选取简支边界。

（5） 有限元模型见图2、图3。

3 剪力滞效应的影响分析

3.1 滑移效应对剪力滞效应的影响分析

研究滑移效应对剪力滞效应的影响规律分析时，模型中仅改变弹簧的剪切刚度。对弹簧刚度的取值，参考了相关文献[8-9]，单位截面弹簧的总刚度依次取K1=6×105 N/m、K2=1.2×106 N/m、K3=6×106 N/m和K4=6×107 N/m，在有限元计算中横截面共设置8个弹簧单元，每个间距100 mm。在不同滑移刚度下跨中截面顶、底板应力以及顶板剪力滞系数分布如图4～图6所示。

从图中可以看出，不同剪力连接件刚度下混凝土顶板和钢箱梁底板的横截面应力分布均无明显变化，剪力滞系数大致相同，但剪力连接件刚度对截面应力大小有一定的影响。组合梁顶板压应力随剪力连接件刚度的提高而增大，底板拉应力随剪力连接件刚度提高而减小，表明在双箱组合梁中合理的剪力连接件刚度对充分发挥两种材料的性能具有非常重要的作用。

3.2 宽跨比对剪力滞效应的影响分析

在研究宽跨比对剪力滞效应的影响中，保持组合双箱梁模型的宽度不变，仅改变其跨度，从而达到改变组合梁宽跨比的目的。组合梁的宽度采用1.6 m，跨度分别取4 m、6 m、8 m、12 m和16 m，对应的宽跨比如表1所示。

有限元计算结果组合梁跨中顶板剪力滞系数和最大剪力滞系数随宽跨比变化如图7、图8所示。

从有限元计算结果中可以得出，跨中截面混凝土顶板剪力滞效应受宽跨比影响较为明显，当宽跨比较大时，剪力滞效应较明显，当宽跨比减小时，剪力滞效应逐渐减弱。因此在实际工程设计中，应注意双箱组合梁结构的宽跨比的合理取值，保证桥梁结构受力的合理性。

3.3 宽高比对剪力滞效应的影响分析

在研究宽高比对双箱组合梁剪力滞效应的影响中，计算过程中只改变截面钢箱梁腹板的高度，保持混凝土顶板的宽度不变。设置5种不同的宽高比，取顶板宽度1.6 m，钢箱梁腹板高度分别取0.3 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m和1.0 m，对应的宽高比如表2所示。

计算结果跨中截面剪力滞系数和最大剪力滞系数如图9、图10所示。

计算结果表明，双箱组合梁跨中截面混凝土顶板剪力滞效应受宽高比影响较为明显，当宽高比较大时，剪力滞效应较为明显，剪力滞系数较大。随着宽高比的减小，剪力滞效应逐渐减弱，剪力滞系数逐渐减小。当宽高比小于1.5后，跨中截面剪力滞系数趋于平缓。从图中可以看出宽高比对顶板的剪力滞效应影响比较大，因此在设计中应对宽高比予以足够的重视。

3.4 混凝土顶板厚度对剪力滞效应的影响分析

在研究混凝土板厚度对双箱组合梁剪力滞效应的影响规律计算分析时，改变混凝土板的厚度，分别采用了4种厚度为t1=10 cm、t2=12 cm、t3=15 cm和t4=20 cm，在计算过程中保持其他参数不变。跨中截面顶板正应力分布和剪力滞系数分布如图11、图12所示。E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A

计算结果显示，双箱组合梁简支结构在均布荷载作用下，在相同荷载作用下，虽然跨中截面顶板应力大小不同，但其分布特点基本一致，混凝土顶板厚度对剪力滞效应的影响较小。所以混凝土板的厚度对剪力滞效应的影响很微弱，研究剪力滞效应时可以忽略其影响。

3.5 钢箱梁厚度对剪力滞效应的影响分析

在计算过程中保持其他参数不变，设置了4种不同类型的钢箱梁厚度，分别为t1=10 mm，t2=15 mm，t3=20 mm和t4=30 mm。顶板正应力分布图和剪力滞系数如图13、图14所示。

从计算结果中可以分析得到，不同钢箱梁厚度下，虽然跨中截面顶板应力大小不同，但其分布特点基本一致，可见在一定范围内，钢箱梁厚度对剪力滞效应的影响较小。

4 结 论

本文对受均布荷载的钢-混凝土双箱组合梁简支结构进行分析，研究了截面几何参数和剪力连接件的抗剪刚度对剪力滞效应的影响。通过计算分析得到结论：

（1） 界面滑移效应对双箱组合梁剪力滞效应影响不大但对应力大小分布影响较大，组合梁顶板压应力随剪力连接件刚度的增大而增大，相反底板拉应力随剪力连接件刚度增大而减小。

（2） 在所研究截面几何参数中，对双箱组合梁剪力滞效应影响最大的是寬跨比，其次是宽高比，而混凝土板厚度和钢箱梁厚度对剪力滞效应的影响则较小。

（3） 在宽跨比的影响当中，当宽跨比较大时，剪力滞效应较为明显，剪力滞系数较大，随着宽跨比的减小，剪力滞系数逐渐减小。当宽高比较大时，剪力滞效应最明显，当宽高比较小时，剪力滞效应较为微弱。

在实际工程中，钢-混凝土双箱组合梁的设计应该重视剪力滞效应，采取一定措施降低剪力滞效应对双箱组合梁的影响，使得结构既能够满足设计要求，又能够降低成本。

参考文献

[1] 聂建国. 钢-混凝土组合结构桥梁.人民交通出版社[M]. 北京： 人民交通出版社， 2011： 0-1.

[2] Gjelsvik A. Analog-Beam Method for Determining Shear-Lag Effects[J]. Journal of Engineering Mechanics， 1991， 117（7）：1575-1594.

[3] Dezi L， Gara F， Leoni G. Effective Slab Width in Prestressed Twin-Girder Composite.

[4] 程海根. 薄壁箱梁剪力滞效应理论分析与试验研究[D]. 成都： 西南交通大学， 2003.

[5] 孙飞飞， 李国强. 考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢—混凝土组合梁解析解[J].工程力学， 2005， 22（2）：96-103.

[6] 张彦玲，李运生，樊健生，等.钢-混凝土组合梁负弯矩区有效翼缘宽度的研究[J].工程力学，2010，27（2）：178-185.

[7] 戚冬艳，于东民，李文华，等.大跨径跨海斜拉桥组合梁桥面板剪力滞效应[J].长安大学学报（自然科学版），2013，33（6）：68-73.

[8] 周世军，黄瑜，江瑶，等.单箱双室组合箱梁剪力滞效应分析[J].建筑科学与工程学报，2017，34（6）：110-115.

[9] 李法雄，聂建国.钢-混凝土组合梁剪力滞效应弹性解析解[J].工程力学，2011，28（9）：1-8.E5A545AB-5E52-4087-8057-AFF7EEBA172A