空间连续组合桁梁桥有效分布宽度分析

宋卫忠

(上海市奉贤区建设和交通委员会，上海 201400)

1 概述

组合结构因为其合理地发挥了钢受拉性能强和混凝土受压性能好的特点[1］，在桥梁工程中得到了广泛的应用，其中一种应用形式就是组合桁架梁桥。组合梁受力发生变形时，混凝土翼缘板内的剪应变使翼缘板发生剪切变形，造成在板宽范围内的正应力分布不均匀，这种现象称为“剪力滞效应”[2］。翼缘剪力滞效应通常用有效分布宽度及有效分布宽度系数衡量。

目前，对于组合桁架的有效分布宽度，何畏[3］对芜湖长江大桥的桥面板有效分布宽度进行计算，肖亚明[4］、范国玺[5］对平面简支组合桁架的有效分布宽度开展了参数化分析，朱庆普[6］探讨了空间简支组合桁架有效分布宽度的影响因素，而对于空间连续组合桁架梁桥有效分布宽度研究相对较少。

2 有限元模型

选取跨径为48 m的两跨连续空间桁架梁桥作为研究对象，如图1所示，建立有限元模型，横截面尺寸如图2所示，桥面板厚度为hc，桥面板全宽为B。桁架采用三角形桁架形式，节点横桥向间距为B1，截面为等腰直角三角形，内设有加劲，高度为350 mm，上弦节点间设有横梁，腹杆钢管外径为250 mm，板厚6 mm，下弦为钢管混凝土，钢管外径为750 mm，板厚为20 mm。

桥面板用Shell181单元模拟，上弦用Shell63单元模拟，横梁、腹杆及下弦采用Beam188单元模拟。模型中不含预应力，且不考虑混凝土与钢之间的滑移。混凝土标号为C50，钢材采用Q345。梁的两端截面限制下弦节点的竖向位移和横桥向位移;梁的中间支点截面限制下弦节点的竖向、纵桥向以及横桥向位移;在两端截面限制桥面板的横桥向位移。

3 有效分布宽度影响因素

影响有效分布宽度的因素有很多[7］，本文考察荷载形式、宽跨比、桥面板厚度、高跨比、节点横桥向间距以及节点纵桥向间距等因素的影响。取 B=8 m，hc=250 mm，H=2．4 m，B1=4 m，节点纵桥向间距为4 m的模型为基本模型，选取跨中节点断面(A)、跨中节间断面(B)、中支点的节点断面(C)和中支点节间断面(D)，进行有效分布宽度的研究，如图1所示。

3．1 荷载形式的影响

为考察荷载形式对有效分布宽度的影响，在纵桥向分别采用均布荷载作用和集中荷载作用，其中均布荷载大小为1．5 kN/m2，集中荷载位于两跨跨中位置，横桥向采用均布荷载，荷载大小为6．25 kN/m。一跨内的有效分布宽度系数如图3所示。

与均布荷载相比，集中荷载作用下有效分布宽度系数普遍较大，但在集中荷载附近的有效分布系数较小，说明荷载形式对有效分布宽度的影响比较大，因而以下有效分布宽度影响因素分析均基于均布荷载。

3．2 宽跨比的影响

分别取桥面板宽度B为6 m，8 m，10 m，12 m，对应的宽跨比则为 1/8，1/6，1/4．8，1/4，计算关键断面的有效分布宽度系数，如图4所示。桥面板宽度从6 m增加到12 m，在跨中节间(B)处，有效分布宽度系数变化最小，减小了4．8%;而在中支点节点(C)处，有效分布宽度系数变化最大，减小了16．2%。宽跨比变大，节间和节点处的有效分布宽度系数都变小，且在中支点节点处更为明显。

3．3 桥面板厚度的影响

分别取桥面板厚度hc为150 mm，200 mm，250 mm，300 mm，350 mm，计算关键断面的有效分布宽度系数，如图5所示。可以看出，当桥面板厚度由150 mm增大到350 mm时，跨中和中支点节间处(断面B，D)处的有效分布宽度系数变化不大;而在跨中节点(A)和中支点节点(C)处变化较大，分别增大了9．7%和11．1%。桥面板厚度增加，节间处有效分布宽度系数变化不大，而节点处的变化较大。

3．4 高跨比的影响

分别取梁高 H 为1．6 m，2．4 m，3．2 m，4 m，对应高跨比则为1/30，1/20，1/15，1/12，计算4 个关键断面的有效分布宽度系数，如图6所示。梁高从1．6 m增加到4 m，跨中和中支点节间处(断面B，D，C)的有效分布宽度系数变化不大;跨中节点(A)的有效分布宽度系数减小了5．8%。高跨比从1．6 m增加到2．4 m，有效分布宽度系数变化较明显;而高度继续增大后基本不变。

3．5 节点横桥向间距的影响

分别取节点横桥向间距B1为3 m，4 m，5 m，6 m，计算4个关键断面的有效分布宽度系数，如图7所示。可以看到，当节点横桥向间距从3 m增加到6 m时，跨中节点(A)、跨中节间(B)和中支点节间(D)的有效分布宽度系数变化都不大;中支点节点(C)的有效分布宽度系数减小了9．5%。因此，除对中支点节点(C)影响稍大外，节点横桥向间距变化对有效分布宽度的影响并不是很大。

3．6 节点纵桥向间距的影响

取节点纵桥向间距分别为2 m，4 m，6 m，8 m，计算4个关键断面的有效分布宽度系数，如图8所示。可以看出，当节点纵桥向间距从2 m增加到8 m时，跨中和中支点节间处(断面B，D)的有效分布宽度系数变化都不大;而跨中节点(A)的有效分布宽度系数减小了30．2%，中支点节点(C)的有效分布宽度系数减小了7．3%。节点纵桥向间距的变化除了对跨中节点(A)的有效分布宽度影响较大外，其余断面影响不大。

4 计算结果分析

参考日本、英国、加拿大、美国、澳大利亚对组合梁桥有效分布宽度的规定[8］，将以上计算结果与各国规范比较，如图9，图10所示。在跨中断面，日本、英国、加拿大的规范值均大于节点(A)与节间(B)的有限元值，美国和澳大利亚的规范值在桥面板宽度较大时才小于有限元值;在中支点断面，日本规范值比节点(C)和节间(D)的有限元值都小，而英国和加拿大规范值介于节点(C)和节间(D)的有限元值之间，美国和澳大利亚规范值则当桥面板宽度较大时才小于有限元值。对于桥面板厚度的影响，在跨中断面和中支点断面，都是当桥面板较薄时，美国和澳大利亚规范值才小于有限元值。

因此，空间连续组合桁梁桥由于其自身空腹梁的特性，不能简单套用实腹式组合梁规范，在桥面板较宽、较薄时参照美国规范(AASHTO)计算有效分布宽度是保守的，而另外的情况则需具体分析其有效分布宽度。

5 结语

本文利用ANSYS建立两跨空间连续组合桁架梁桥有限元分析模型，对影响有效分布宽度的各因素进行了参数化分析，并且将有限元结果与各国规范进行对比，得出以下结论:

1)荷载形式对有效分布宽度的影响较大，集中荷载会造成加载位置附近有效分布宽度的减小，而均布荷载作用下有效分布宽度沿全桥都比较平均。2)宽跨比、桥面板厚度、高跨比以及节点纵、横桥向间距等各影响因素中，宽跨比和桥面板厚度对有效分布宽度的影响比较显著。3)与各国规范对组合梁桥有效分布宽度的规定相比，空间连续组合桁架梁桥在桥面板较宽、较薄时采用美国规范(AASHTO)

是保守的，而其他情况则需具体分析。

[1] 刘玉擎．组合结构桥梁[M］．北京:人民交通出版社，2005．

[2] 李运生，王元清，石永久，等．组合梁桥有效翼缘宽度国内外规范的比较分析[J］．铁道科学与工程学报，2006，3(2):34-38．

[3] 何 畏，强士中．板桁组合结构中混凝土桥面板有效宽度计算分析[J］．中国铁道科学，2002，23(4):55-61．

[4] 肖亚明，刘东营，何其洪．简支组合桁架的翼缘有效宽度研究[J］．工程建设与档案，2005，19(4):305-308．

[5] 范国玺．钢桁架—混凝土组合梁有效宽度的研究[D］．郑州:郑州大学，2010．

[6] 朱庆普．钢—混凝土组合桁架梁混凝土板有效宽度分析[D］．郑州:郑州大学，2011．

[7] 曹国辉，方 志，周先雁，等．影响薄壁箱梁剪力滞系数的几何参数分析[J］．中外公路，2003，23(1):39-41．

[8] S．S．Chen，A．J．Aref，I．-S．Ahn，M．Chiewanichakorn．EFFECTIVE SLAB WIDTH FOR COMPOSITE STEEL BRIDGE MEMBERS[R］．New York:State University of New York，2001．