張 海，張敬軒，孫 潭

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽市 110168)

0 引言

眾所周知，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要采用合理的設(shè)計方法，選取合適的結(jié)構(gòu)材料，充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能。鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)就是在此基礎(chǔ)上充分發(fā)揮鋼材抗拉、混凝土抗壓能力結(jié)合而成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。將組合結(jié)構(gòu)、曲線梁和連續(xù)梁結(jié)合起來，形成的曲線連續(xù)組合梁將兼具三者的優(yōu)點，在實際工程應(yīng)用中發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。因此，對于曲線連續(xù)組合梁的受力性能研究日益得到關(guān)注[1]。

對于鋼-混凝土組合曲線箱梁橋的剪力滯后效應(yīng)的研究，還處于初級階段，尤其是變參數(shù)對于它們的影響的研究，這些研究對于了解鋼-混凝土組合曲線箱梁橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是重要的因素之一。目前，研究鋼-混凝土組合曲線箱梁橋的剪力滯后效應(yīng)最直接、最有效的方法還是計算機模擬，并且對于各種軟件的二次開發(fā)，也處于研究的初級階段，這些領(lǐng)域都有待學(xué)者進一步探索[2]。

1 模型實例

1.1 模型參數(shù)

選取一兩跨超靜定曲線鋼-混凝土組合箱梁進行分析，梁的具體參數(shù)如下：曲率半徑R=180m，梁弧長L=30m，其中第一跨跨長L1=15m，第二跨跨長L2=15m，混凝土板寬b=6m，板厚hc=0.24m，翼緣板長度b1=1.5m ，鋼箱梁高度hs=1.8m ，鋼箱梁底板寬度bs=2m，鋼腹板厚度ts=0.02m。Ec=0.3×105MPa，Es=2.0×105MPa，剪力連接件的單位剛度為K=3.0×105MPa，混凝土的泊松比為μc=0.2，鋼的泊松比為μs=0.3。截面形式，見圖1。

圖1 曲線鋼與混凝土組合箱梁截面圖

1.2 建立模型

擬采用實體單元用于模擬鋼筋混凝土翼緣板，平面板單元模擬鋼箱梁及加勁肋，剪力連接件采用梁單元進行模擬，采用連接單元模擬橫隔板，增強橋梁橫向剛度[3]。

對于混凝土板，采用總應(yīng)變裂縫模型來模擬混凝土構(gòu)件的材料非線性破壞。對于混凝土的受壓硬化-軟化函數(shù)采用Thorenfeldt函數(shù)，對于混凝土受拉硬化-軟化函數(shù)采用常量函數(shù)，對于受壓，取fc=32.4MPa，對于受拉，取ft=2.65MPa。

將鋼箱梁作為理想彈塑性材料進行模擬，開孔鋼板的屈服強度為fy=345MPa。當(dāng)開孔鋼板應(yīng)力達到屈服強度后，應(yīng)力應(yīng)變?yōu)樾甭蕿?的曲線。在Midas FEA中對其采用Von Mises模型硬化函數(shù)進行定義[4]。

建立模型如圖2所示。

(a)混凝土單元圖

(b)鋼箱梁單元圖圖2 梁體模型圖

2 模型分析

2.1 剪力滯后系數(shù)

剪力滯后系數(shù)(λy)是反應(yīng)剪力滯后效應(yīng)的重要參數(shù)，它可以用公式表示為式(1)，即在構(gòu)件的某一橫斷面上，翼板中某處的彎曲正應(yīng)力σy與按初等梁理論計算的該橫斷面的真實彎曲正應(yīng)力峰值σmax之比：

(1)

對于其真實應(yīng)力峰值σmax，可根據(jù)材料力學(xué)的原理求解：

(2)

其中W為截面慣性矩。

由式(1)可以看出，由于截面上真實彎曲正應(yīng)力峰值σmax的唯一性，剪力滯后系數(shù)λy與節(jié)點彎曲正應(yīng)力σy正相關(guān)，故通過節(jié)點的彎曲正應(yīng)力能間接地反映截面的剪力滯后效應(yīng)[5]。

運用Midas FEA分析軟件，模擬鋼混凝土組合曲線箱梁橋在均布荷載作用下，通過改變曲率半徑、鋼梁截面高度及混凝土截面高度等參數(shù)，得出各節(jié)點位置的σy值，然后通過式(1)計算出跨中、支座截面處剪力滯后系數(shù)，以此來反映剪力滯后系數(shù)的變化規(guī)律。

2.2 曲率半徑對于剪力滯系數(shù)的影響

設(shè)定曲率半徑分別為120m、180m和240m，其他參數(shù)不變，得到結(jié)構(gòu)在各個方向上的節(jié)點位置剪力滯后系數(shù)圖，變化圖見圖3～圖6。

圖3 支座處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖4 跨中處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

由圖3、圖4可知，在鋼混凝土組合曲線梁橋曲率半徑保持不變的情況下，隨著節(jié)點與中和軸距離的增大，剪力滯系數(shù)不斷提高，在混凝土板與鋼梁的交接處達到最大值，外側(cè)翼緣板處，剪力滯系數(shù)不斷減小。

同一位置處的曲率半徑越大，剪力滯后系數(shù)越小，表明增大曲率半徑可以有效降低箱梁頂面的支點與跨中的剪力滯系數(shù)。

圖5 支座處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

圖6 跨中處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

由圖5、圖6可知，在鋼混凝土組合曲線梁橋曲率半徑保持不變的情況下，隨著節(jié)點與中和軸距離的增大，內(nèi)外側(cè)剪力滯后系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢，在底板與腹板交接處達到最大。

同一位置處的曲率半徑越大，剪力滯后系數(shù)越小，表明增大曲率半徑可以有效降低箱梁頂面的支點與跨中的剪力滯系數(shù)。

2.3 混凝土板厚度對于剪力滯系數(shù)的影響

設(shè)定混凝土板厚度分別為0.2m、0.24m和0.28m，其他參數(shù)不變，得到結(jié)構(gòu)在各個方向上的節(jié)點位置剪力滯后系數(shù)圖，變化圖見圖7～圖10。

圖7 支座處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖8 跨中處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖9 支座處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

圖10 跨中處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

由圖7～圖10可知，混凝土板厚度不發(fā)生變化時，剪力滯后系數(shù)分布規(guī)律與上述基本一致。混凝土板厚度越大，剪力滯后系數(shù)越小。

混凝土板厚度對于箱梁頂板與底板的影響大小不同，對于箱梁頂板影響較大，對于底板影響較小。對于頂板，不同厚度剪力滯后系數(shù)相差約10%；對于底板，不同厚度剪力滯后系數(shù)相差約2%。

2.4 鋼梁高度對于剪力滯系數(shù)的影響

設(shè)定鋼梁高度分別為1.5m、1.8m和2.1m，其他參數(shù)不變，得到結(jié)構(gòu)在各個方向上的節(jié)點位置剪力滯后系數(shù)圖，變化圖見圖11～圖14。

圖11 支座處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖12 跨中處箱梁頂面剪力滯后系數(shù)變化

圖13 支座處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

圖14 跨中處箱梁底面剪力滯后系數(shù)變化

由圖11～圖14可知，鋼梁高度不發(fā)生變化時，剪力滯后系數(shù)分布規(guī)律與上述基本一致。鋼梁高度越高，剪力滯后系數(shù)越小。

鋼梁高度對于箱梁頂板與底板的影響大小不同，對于箱梁底板影響較大，對于頂板影響較小。對于頂板，不同厚度剪力滯后系數(shù)相差約3%；對于底板，不同厚度剪力滯后系數(shù)相差約12%。

3 結(jié)語

(1)曲率半徑的變化對鋼—混凝土組合曲線箱梁橋的剪力滯后效應(yīng)影響較為顯著。且節(jié)點的剪力滯后系數(shù)隨著曲率半徑的增大而減小。混凝土板與鋼梁交接處，鋼梁底板與腹板交界處剪力滯后效應(yīng)明顯，在實際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制上述位置參數(shù)。

(2)混凝土板厚度對于頂板剪力滯后效應(yīng)較為顯著，對于鋼梁底板影響不明顯。節(jié)點的剪力滯后系數(shù)隨著混凝土板厚度增加而減小。改變混凝土板厚度時其對于頂板剪力滯后效應(yīng)的影響需在設(shè)計時著重考慮。

(3)鋼梁高度對于頂板剪力滯后效應(yīng)不明顯，對于鋼梁底板影響較為明顯。節(jié)點的剪力滯后系數(shù)隨著鋼梁高度增加而減小。改變鋼梁高度時對于鋼梁底板剪力滯后效應(yīng)的影響需在設(shè)計時著重考慮。