温差在钢-混凝土叠合梁中的作用分析

2016-10-19王方亮

天津建设科技 2016年4期

□文/王方亮

温差在钢-混凝土叠合梁中的作用分析

□文/王方亮

钢-混凝土叠合梁是采用抗剪栓钉（或称剪力传力器）将钢梁和混凝土板结合在一起共同工作的一种组合梁。组合材料叠合梁的成功设计不同于单一材料，温度的变化引起的钢-混凝土叠合梁应力分布的合理考虑是叠合梁得以设计实施，材料得以合理利用的一个关键，有必要进行理论分析。文中首先分析了叠合梁温差影响的力学设计思路并依托某叠合梁为设计背景进行了试算。

钢-混凝土；叠合梁；温度力；滑移应变；温差

与传统单一材料梁相比较，钢-混凝土叠合梁充分发挥了钢材受拉以及混凝土受压的材料特性，钢筋混凝土板与钢梁有效连接在一起工作时，能够增大组合结构的刚度，减小钢梁上翼缘的截面，在活载作用下组合梁的噪声能够大幅度减小，优势明显，其经济、社会效应均能得到体现［1］。因此叠合梁作为当下桥梁设计的新宠，在多桥型方案比选中备受重视。

1　计算原理分析

由于钢和混凝土导热系数的不同，外界温度变化时，钢-混凝土叠合梁结合面的应力变化较敏感。工程中常用的栓钉连接是一种柔性连接。假设钢与混凝土间的连接为绝对柔性，则有比较大的滑移现象，应变被完全释放，相应温差滑移应变为

ε△t=αt·△t·L/L=αt·△t（视为不存在连接件）

式中：ε△t为两种材料结构结合面的滑移应变；αt为温度线膨胀系数（钢材与钢筋混凝土材料的线膨胀系数近似相等）；△t为温差变化值（常规叠合梁取值为10～15°［2］）；L为钢-混凝土叠合梁的跨长。

滑移产生与两种材料结合面的应变方向相反，混凝土与钢的应变分别为

式中：ε2为混凝土的应变；ε3为钢的应变；T为温差影响在两种材料结合面处产生的同结合面方向的温度力；Ec、Es分别为混凝土与钢的材料弹模；Ac、As分别为混凝土与钢的截面面积；y2、y3分别为混凝土板底面到混凝土板结构形心轴的距离与钢梁形心轴与其上翼缘板顶部的距离；W2、W3分别为混凝土板底对截面形心轴的截面抗弯模量与钢梁上翼缘板顶部对钢梁截面形心轴的截面抗弯模量。

无连接假设下的几何变形协调条件为

从而得出应变被约束下（有连接件）的温度力值

据经典材料力学公式［3］得出混凝土板上下板面以及钢梁上下翼缘板面的温差应力

式中：W1、W4分别为混凝土板顶对截面形心轴的截面抗弯模量与钢梁下翼缘板顶部对钢梁截面形心轴的截面抗弯模量。

2　工程算例

跨蓟汕高速桥是天津地区新杨北公路设计的节点工程，分左右两幅，位于天津塘沽段（西起塘黄路，东至港城大道）。取左幅桥梁单主梁截面进行温度力（文中仅介绍升温，降温同理）分析，见图1。

图1　混凝土叠合梁断面

温度力求解：

分别求解图1中叠合梁断面的①、②、③、④四个点（分别代表了混凝土板上、下板面处以及钢梁上、下翼缘板面处位置）的温度应力，见图2。

图2　应力分布

温度变化影响到两种材料间产生了正负不同的应力分布，其值与工程实践经验较吻合。

沿叠合梁跨长方向，剪力连接件的合理布置使得钢与混凝土结合面的温差滑移应变难被释放，可认为在跨中大部分区段内T为一个常量值。设计中考虑到在叠合梁的端部边界区段连接件布置的空缺，存在无约束的滑移，即边界条件T=0，温度应力也为0，此边界区段的长度与叠合梁中两种材料的温度伸长值相关，摩阻力以及跨中大部分区域连接件的存在使得温度力从0到T值的过渡区段＜αt·△t·L/2，也即T显著变小直至到0的区段很小，据此在设计中沿全跨的温差应力按照上文计算所得结果来考虑较合理。