影响钢-混凝土组合梁桥横向分布系数的相关参数研究.pdf

第 卷第 期 年 月吉林建筑大学学报 收稿日期：基金项目：吉林省教育厅科学技术研究项目（）作者简介：曲佳瑞（），男，吉林省吉林市人，硕士研究生通讯作者：李春良，男，吉林省长春市人，教授，博士 ：影响钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的相关参数研究曲佳瑞，李春良，达娃扎西吉林建筑大学 交通科学与工程学院，长春 摘要：为研究影响钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的相关参数，利用有限元软件 建立钢 混凝土组合梁桥模型，研究不同的桥面板厚度、钢梁高度、主梁数和剪力连接件强度对钢 混凝土组合梁桥的横向分布系数的影响 结果表明，增大混凝土桥面板厚度导致横向分布系数减小，且边梁的减小幅度大于中梁的减小幅度；增大桥梁跨度，使得横向分布系数下降幅度较为明显，且边梁横向分布系数的下降幅度比中梁更为明显；钢 混凝土组合梁桥的主梁数量与横向分布系数成反比，并且主梁数量对中梁的影响大于边梁；增大剪力连接件强度可以有效降低横向分布系数关键词：横向分布系数；钢 混凝土组合梁；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）牞 牞 牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牷 牞 牷 牞 牷 牶 牷 牷 引言自上世纪 年代起，钢 混凝土组合梁桥凭借其自重轻、施工周期短、基础造价低等优势，已在桥梁工程中广泛应用 荷载横向分布系数是组合梁桥设计中的重要内容，而横向分布系数的影响因素较多，因此对组合梁横向分布系数的影响因素进行分析非常必要 吉林建筑大学学报第 卷现阶段国内外学者多从以下角度对钢 混凝土组合梁桥的横向分布系数进行研究 项贻强等 人对多梁式钢 混小箱梁桥的横向分布系数进行分析，认为多梁式钢 混小箱梁桥的横向分布系数与桥梁宽度的联系较为紧密，由于各个桥梁的宽跨比有所不同，故需要选择不同的修正方法进行计算 王栋威 研究了钢 混组合连续梁桥在上部荷载位置改变时横向分布系数的变化规律，认为钢 混组合连续梁桥上部荷载位置对横向分布系数影响并不明显；李瑞琪等 人利用有限元分析法对钢 混凝土组合小箱梁桥的横向分布系数进行了理论研究，得出以下结论：改变主梁间距、减小桥面板之间的铰接缝数量以及改变预制桥面板厚度等因素，对简支钢 混组合箱梁桥荷载横向分布影响并不明显 等 人通过改变车辆荷载的方式对钢 混组合梁桥横向分布系数进行分析，并得出了非标准车辆作用下的荷载横向分布计算的修正公式尽管许多学者都已对钢 混凝土组合梁桥的荷载横向分布进行了研究，但在现有文献中钢梁、混凝土梁研究较多，而对钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的影响因素研究相对较少 故本文利用有限元软件 建立钢 混凝土组合梁有限元模型，对不同影响因素的钢 混凝土组合梁桥进行数值模拟，研究桥梁跨径、桥面板厚度、主梁数以及剪力连接件强度对横向分布系数的影响 模型建立 算例利用 建立一座跨径长 ，桥面宽 ，横向有 片主梁的钢 混凝土组合梁桥 其中采用 混凝土，板厚 分别在支点、跨径处、跨径处共设置 道横隔梁，横隔梁高度为 ，钢梁高度为 ，全梁高度为 采用的加载方式如图 所示?（）桥梁横截面（）主梁截面图 钢 混凝土组合梁横断面及横向加载位置（单位：）（：）有限元模型由于 提供了混凝土本构关系模型，包括弹塑型模型、损伤塑性模型等，其中损伤塑性模型具有良好的收敛性，通常用于钢 混凝土模型的分析，故在 中模拟，采用 单元模拟混凝土桥面板 有限元模型如图 所示?图 钢 混凝土组合梁有限元模型?图 混凝土板与钢梁的连接图 第 期曲佳瑞，李春良，达娃扎西：影响钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的相关参数研究 混凝土弹性模量 ，单元模拟钢梁，钢梁的弹性模量 对每片钢梁底均施加简支约束，即一端为固定铰支座，另一端为活动铰支座 由于钢 混凝土组合梁是由两种材料组合而成的截面，因此在实际工程中一般会使用剪力连接件，从而起到减小钢与混凝土之间滑移的作用 本文采用 单元模拟剪力连接件，并用弹簧将混凝土桥面板与钢梁接连，实现对滑移的模拟，并利用 辅助整个结构的网格划分，为了保证计算的准确性，网格的最大尺寸 具体方式如图 所示 本构关系 混凝土本构关系对于单轴受压的应力 应变关系目前已有大量的研究，不少学者提出了应力 应变曲线方程，例如 模型、模型等 而 模型一般用于钢 混凝土组合梁的实例分析，因此本文主要对 模型进行阐述图 为 模型的应力 应变曲线图，该图的上升段为二次抛物线，下降段为斜直线上升段的计算公式为：，（）（）下降段的计算公式为：，（）式中，为峰值应力，；为应力峰值时的应变，取 为 ；为极限压应变，取?图 模型的应力 应变曲线?图 钢材应力 应变曲线 钢材的本构关系图 为钢材的应力 应变曲线图 从图 中可以发现，钢材的应力 应变大致分为两个阶段：第一阶段为弹性阶段，在该范围变形与荷载成正比，一旦超过弹性极限则会进入第二阶段，即产生不可逆的塑性形变在卸载后会恢复总应变的弹性部分，当消除作用在钢梁上的荷载不会使塑性应变的变形完全消失，这取决于温度、材料自身属性等因素 图 中 表示弹性应变，表示塑性应变 组合梁荷载横向分布的影响因素在组合梁中，混凝土板的板厚、跨径和混凝土板与主梁的连接强度、钢梁的刚度、高度、主梁数以及腹板、翼缘的厚度均为组合梁横向分布系数的影响因素 现拟定考虑混凝土板厚、桥梁跨径、主梁数量以及剪力连接件强度的不同对横向分布系数的影响（）改变板厚为 ，研究不同混凝土板厚对横向分布系数的影响（）改变跨径为 ，研究不同跨径对横向分布系数的影响（）改变主梁数为 片、片、片，研究不同主梁数对横向分布系数的影响（）改变剪力连接件强度为 ，研究剪力连接件强度对横向分布系数的影响 吉林建筑大学学报第 卷 荷载横向分布系数的计算过程选择桥梁的跨中截面作为控制断面，即可借助有限元软件 得到各梁的竖向位移 ，并通过公式（）即可得到各片主梁的横向分布影响线竖标值 ，（）式中，表示当车辆荷载作用在 号梁时，号梁所产生的竖向位移量，；表示当车辆荷载作用于第 号梁时，第 号梁横向分布系数影响的竖标值将各片主梁上的横向分布系数影响线竖标值连成线，即可得到的横向分布影响线，按照横向最不利位置进行布载并根据公式（）即可计算出主梁的横向分布系数（）式中，为第 片梁的横向分布系数；为最不利位置处车辆集中荷载作用点的影响线竖标最大值；为汽车道侧向分布的折减系数利用 软件计算上述有限元模型在横向移动车辆荷载 的作用下的各片主梁的竖向位移，再根据式（）和式（）计算横向分布系数影响线以及横向分布系数 横向分布系数影响因素分析为了深入研究组合梁的桥面板厚度、跨径、主梁数和连接强度对横向分布系数的影响，并对变量进行分析 模型验证分析为验证 模型是否准确，现以板厚为 ，跨径为 ，片主梁的钢 混凝土组合梁桥为例，按刚接梁法理论对横向分布系数进行计算，并将 计算结果与理论计算结果进行对比，从而验证有限元模型的准确性 结果如图 所示?图 计算结果与理论结果对比 从图 可以看出，计算结果与理论结果的变化趋势基本一致，其误差均不超过 ，处于误差容许范围内 由此得出，计算结果与理论计算结果相符，有限元模型较为精确 不同桥面板厚度对横向分布系数的影响为研究钢 混凝土组合梁桥混凝土板厚对横向分布系数的影响，在上述有限元模型的基础上改变桥面板的厚度为 ，其他参数不变，研究桥面板厚度对钢 混凝土组合梁横向分布系数的影响 图 为不同板厚各梁的横向分布系数计算结果从图 看出，桥面板厚度对横向分布系数的计算结果有影响 当板厚从 增加到 时，号梁、号梁的横向分布系数减小十分明显，表明主梁分布车辆荷载的能力随混凝土板厚度的增加而增强 虽然增大桥面板厚度确实可以起到降低横向分布系数的效果，但在设计过程中采用的桥面板尺寸所对应的整体刚第 期曲佳瑞，李春良，达娃扎西：影响钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的相关参数研究 度已经足够大，继续增加板厚不仅会增加自重，还会造成材料的浪费 因此需要考虑工程实际情况确定是否需要通过增大桥面板厚度的方式减小横向分布系数?图 不同板厚下各梁的横向分布系数计算结果 不同桥梁跨径对横向分布系数的影响为研究钢 混凝土组合梁桥的跨径不同对横向分布系数的影响，采用建立相应的 有限元模型，分别考虑桥梁跨径为 ，时，在其他参数保持不变的情况下，研究跨径对钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的影响，如图 所示?图 不同跨径下各梁的横向分布系数计算结果 从图 看出，在板厚、主梁数和滑移程度不变的前提下，当桥梁跨径从 增加到 时，边梁的横向分布系数与中梁相比有明显的下降趋势，而中梁横向分布系数虽有减小趋势，但横向分布系数变化并不明显 由此可见，随着桥梁跨径的增大，钢 混凝土组合梁桥横向分布系数变化边梁变化幅度较大，中梁变化幅度较小，说明在钢 混凝土组合梁桥中跨径是影响横向分布系数的重要参数 不同主梁数量对横向分布系数的影响通过建立相应的 有限元模型，分析钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的变化规律，分别考虑主梁数为 片、片、片时，在保证其他参数不变的情况下，研究不同主梁数对钢 混凝土组合梁横向分布系数的影响，如图 所示从图 看出，随着主梁数量的不断增多，各主梁的横向分布系数的变化规律较为明显，当主梁数量从 片增加到 片时，中梁的横向分布系数下降趋势最为明显，而边梁的横向分布系数随主梁数量变化幅度较小，边梁的变化幅度明显小于中梁横向分布系数的变化幅度 说明主梁数量的增加可以减小钢 混凝土组合梁的横向分布系数，且对中梁的影响比对边梁的影响更大 剪力连接件强度对横向分布系数的影响为研究钢 混凝土组合梁桥剪力连接件强度对横向分布系数的影响规律，在上述有限元模型的基础上改变连接强度为 ，在其他参数保持不变的情况下研究剪力连接件强度对钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的影响，如图 所示 吉林建筑大学学报第 卷?图 不同主梁数量下各梁的横向分布系数计算结果?图 不同滑移下各梁的横向分布系数结果 从图 看出，钢 混凝土组合梁桥的边梁横向分布系数随钢梁与混凝土板的连接强度增强而出现明显下降趋势，而中梁的变化较小 由此表明，增大钢梁与混凝土板的连接可以减小横向分布系数，且对边梁的影响更大 参数影响率分析图 为 号梁各参数变化时，钢 混凝土组合梁桥横向分布系数变化规律，可以更直观的观察到各个参数对钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的影响?图 各参数变化时横向分布系数变化规律对比 通过图 的分析可以发现，随着混凝土板厚的增大，钢 混凝土组合梁桥横向分布系数随之下降，且边梁横向分布系数的变化幅度较为明显 随着跨径的不断增大，钢 混凝土组合梁桥横向分布系数明显下降，且跨径对边梁的影响大于对中梁的影响，这使得桥上的荷载分布更加均匀 随着主梁数量的不断增加，（下转第 页）吉林建筑大学学报第 卷 冉启仁，王旭，王博林，蒋代军，张延杰，李建东 基坑开挖对邻近建筑桩基弯矩和变形影响的模型试验 岩土工程学报，（）：宋旭辉 地铁基坑开挖对周围建筑物沉降的影响研究 工程技术研究，（）：许为强，姜朋明 上海长江西路隧道浦东工作井施工监测分析 四川建筑科学研究，（）：（上接第 页）钢 混凝土组合梁桥的横向分布系数也逐渐减小，其中主梁数量对中梁横向分布系数的影响程度超过边梁横向分布系数的影响程度 增大剪力连接件强度可以有效地减小钢 混凝土组合梁桥的横向分布系数，且边梁受到剪力连接件强度变化的影响大于对中梁横向分布系数的影响 结论本文利用有限元软件 对钢 混凝土组合梁桥进行模拟，对于不同混凝土板厚、桥梁跨径、主梁数量和剪力连接件强度变化对钢 混凝土组合梁桥横向分布系数的影响规律进行计算与对比，结论如下：（）增大桥面板厚度对钢 混凝土组合梁桥横向部分系数影响较大 对于钢 混凝土组合梁桥，增大混凝土桥面板厚度使横向分布系数有明显下降趋势，且边梁横向分布系数减小幅度大于中梁横向分布系数的减小幅度（）增大跨径对钢 混凝土组合梁桥横向分布系数影响较为明显 随着桥梁跨径增大，钢 混凝土组合梁桥横向分布系数变化程度较为明显 各主梁横向分布系数随桥梁跨径的增大而减小，且边梁受桥梁跨径的影响程度大于对中梁的影响程度，在组合梁桥计算过程中应充分考虑桥梁跨径的影响（）增多钢 混凝土组合梁桥的主梁数量可以使横向分布系数有所减小，并且主梁数量对中梁横向分布系数的影响大于边梁横向分布系数的影响（）增大剪力连接件强度可以有效减小钢 混凝土组合梁桥的横向分布系数，且边梁横向分布系数的变化幅度大于中梁横向分布系数的变化幅度参考文献 聂建国 钢 混凝土组合结构桥梁 北京：人民交通出版社，邵旭东 桥梁工程（第四版）北京：人民交通出版社，项贻强，李少骏，刘丽思，赵荐 多梁式钢 混组合小箱梁横向受力性能 中国公学报，（）：，王栋威 不同加载位置的钢混组合连续梁桥横向分布研究 建材与装饰，（）：李瑞琪，袁万城，高康，王建国，郭军军 装配式简支钢 混组合小箱梁桥荷载横向分布系数的研究 结构工程师，（）：，（）：