钢管混凝土桁梁桥的剪力滞效应分析

李 畅， 郑凯锋， 滕 乐， 衡俊霖

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-09-27

钢管混凝土构件有着强度高、延性好、施工便捷等优良性能，采用钢管混凝土桁架代替混凝土箱梁的腹板和底板，形成了由混凝土顶板、钢管混凝土桁架共同受力的结构体系[1]。1996年建成的广东南海紫洞大桥首次采用了钢管混凝土桁式结构，主桥跨度达140 m。随后建成的重庆万安大桥、重庆万州大桥、湖北向家坝大桥又分别在斜拉桥、连续刚构桥、连续梁桥的主梁中采用了钢管混凝土桁式结构。2012年建成的雅西高速公路干海子大桥是对钢管混凝土桁式结构的一次突破性应用，采用中等跨径的连续刚构与连续梁组成的混合桥型，全长达1.8 km[2]。

1 空间有限元模型的建立

1.1 工程概况

某钢管混凝土桁架梁桥采用标准跨径的40 m简支结构，桥宽为12.15 m，梁高为4.2 m。梁体由主要承载的钢管混凝土主桁梁与其上的钢-混凝土组合桥面板组成。下弦钢管直径为670 mm，壁厚24 mm，腹杆直径为402 mm，壁厚由支座处18 mm依次变化到跨中12 mm。桥面板是在6 mm厚的底钢板上浇筑C40高抗裂低收缩钢纤维混凝土，二者通过开孔钢板剪力键和穿孔钢筋剪力键形成钢-混凝土组合桥面板，底钢板既为受力构件，又是浇筑混凝土时的底模，桥面板标准厚度为150 mm，有横肋处厚度为350 mm，纵肋处高度为700 mm。桥梁立面和截面尺寸分别如图1、图2所示。

图1 某桥立面布置(单位： mm)

(a) 标准断面

(b)横梁断面图2 某桥横断面(单位： mm)

1.2 有限元模型

MIDAS/FEA是土木领域专用的非线性分析与详细分析软件[3]，本模型采用此软件进行建模。顶板混凝土和钢管内混凝土采用实体单元模拟，桥面钢底板和钢管采用板壳单元模拟，钢管和钢管内混凝土不考虑滑移的影响。主梁桥面板采用C40混凝土，弹性模量3.25×104MPa，容重2.5 t/m3；钢管采用Q345C，弹性模量2.06×105MPa，容重7.85 t/m3。空间有限元模型如图3所示，总共有330 178个节点，415 594个单元。

图3 全桥有限元计算模型

2 剪力滞效应分析

工程上一般用剪力滞系数λ来衡量顶板正应力沿横向的不均匀程度，通常定义为梁的实际弯曲应力与按初等梁理论得到的弯曲应力的比值[4]：

(1)

式中：σmax为考虑剪切变形求得的截面最大正应力(一般指腹板位置对应的顶底板正应力)；σ0为按初等梁理论求得的截面正应力。由于组合桁梁结构复杂，用初等梁理论较难准确求出截面正应力。本文用截面正应力沿横向的平均值来代替σ0。

当λ>1时，为正剪力滞效应，当λ<1时，为负剪力滞效应。

2.1 均布荷载作用下剪力滞效应横向变化规律

为研究节点区域复杂应力状态下的规律，详细分析节点区域的截面，截面编号及位置如图4所示。E截面为节点中心位置，A、B、C、D截面位于节点靠近受压腹杆一侧，F、G、H、I截面则位于节点靠近受拉腹杆一侧。

图4 截面编号及位置

各截面的剪力滞效应如图5所示。靠近节点的D、E、F截面出现负剪力滞效应，其余截面则表现为正剪力滞效应。其中，节点中心的E截面负剪力滞效应水平最高，越往两侧其负剪力滞效应水平逐渐降低并过度到正剪力滞效应，节间跨中截面的剪力滞系数最大为1.12。

(a) 截面A～E

(b) 截面E～I图5 各截面剪力滞系数横向分布

2.2 剪力滞效应纵向变化规律

为了深入研究剪力滞效应沿整个桥长方向的变化规律，分别分析了在集中荷载沿桥纵向移动时相应的受载截面和均布荷载作用下各截面的剪力滞系数[5]。

如图6所示，集中荷载作用时，在每个节点位置剪力滞系数都有明显的下降，除开节点位置，横截面的剪力滞系数从桥跨L/4到桥跨3L/4范围内变化不大。考虑到节点位置的剪力滞系数是降低的，可以近似取这部分为相同值1.51，从四分点到支座处剪力滞系数增长较快。

图6 集中荷载作用下各截面剪力滞系数变化

如图7所示，均布荷载作用时，同集中荷载作用规律类似，即在节点位置处剪力滞系数都有不同程度的降低，不同的是均布荷载作用下节点位置的剪力滞系数都小于1，即表现为负剪力滞效应，且越靠近端点位置，其负剪力滞效应越明显，最低为0.23。远离支座附近的剪力滞系数在0.67～1.15之间。

图7 均布荷载作用下各截面剪力滞系数变化

3 结束语

以某钢管混凝土桁梁桥为背景建立空间有限元模型，研究该桥在集中荷载和均布荷载作用下的剪力滞效应，得到以下结论：

(1)钢管混凝土桁梁桥在竖向荷载作用下，全桥各截面均出现了正应力不均匀分布现象，其中桥面板在节间表现为正剪力滞效应，节点处表现为负剪力滞效应。

(2)集中荷载越接近支点附近作用时，剪力滞系数越大，在左四分点到右四分点范围内变化不大。

(3)均布荷载的分布规律同集中荷载相似，但剪力滞系数均较集中荷载作用时小。

[1] 张联燕,李泽生,程懋方.钢管混凝土空间桁架组合梁式结构[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2] 陈宝春,牟廷敏,陈宜言,等.我国钢-混凝土组合结构桥梁研究进展及工程应用[J].建筑结构报,2013(S1):1-10.

[3] 北京迈达斯技术有限公司. FEA用户手册第二册-分析与计算原理[Z].

[4] 韦成龙,曾庆元,刘小燕.板桁结合梁剪滞效应分析的有限段法[J].桥梁建设,2000(3):11-13.

[5] 吴文清,万水,叶见曙，等.波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的空间有限元分析[J].土木工程学报, 2004, 37(9): 31-36.