钢-高强混凝土组合梁栓钉剪切刚度的修正.pdf

钢 高 强 混 凝 土 组 合 梁 栓 钉 剪 切 刚 度 的 修 正 简伟锋 （吉林省交通规划设计院长春130021） 【摘要】在钢混凝土组合梁的简化计算中，钢与混凝土间栓钉的剪切刚度是一个重要的参量，其 刚度的确定方法已写入设计规范，但钢与高强混凝土组合梁剪切刚度的确定方法还是一个正在探索的问 题。采用弹性理论的计算方法，首先假定栓钉剪切刚度系数，然后把计算结果与试验值进行比较，最后采 用最小二乘法拟合曲线，确定出一个合适的剪切刚度计算方法，为设计和施工提供刚度计算依据。 【关键词】组合梁；高强混凝土；计算分析；剪切刚度 【中图分类号】 U448.21【文献标识码】A 以求出 梁任意截面的挠度，再由对称关系可以求出 0引言 梁的任意截面的挠度值。 用剪切螺栓连接的钢混凝土组合梁在受弯过 程中，由于钢混凝土交界面处存在着剪切滑移现 象，引起组合梁变形增大。本文利用弹性理论计算 方法和试验数据对钢-高强混凝土栓钉剪切刚度系数 进行修正，以便于钢- 高强混凝土计算中采用。 1栓钉连接件 2曲线拟合的最小二乘法 1.1栓钉连接件的刚度 4 通过文献 荷载- 挠度曲线图，设高强混凝土组对于栓钉连接件，国内外学者们总结出了许多 的刚度计算方法。文献1中给出高强混凝土组合梁合梁栓钉的剪切刚度为, 2 栓钉连接件的刚度计算公式为： 把试验数据荷载和挠度代入文献 的计算公式中就可 以反算出栓钉的剪切刚度，从而得到剪切刚度系数。 式中：n 栓钉沿梁纵轴向的列数； s E混凝土弹性模量； c f 混凝土圆柱体的抗压强度； ck A栓钉面积。 s 从表1试验数据中可以看出，数据分布不是直1.2利用栓钉连接件的刚度计算组合梁的挠度 f(x) 2 线。方程组的右端向量有微小的变化相应的解会变采用文献 的计算方法，计算出集中力荷载作用 化很大，将这种具有正交属性的函数类通常可以采取下的截面曲率k。 5 文献 中切比雪夫二次多项式来进行最小二乘法拟合。在求得组合梁（实梁）各截面曲率k(x)后，根据 3 已知n =2，a=1.97，b=5.518文献 中共轭梁法原理，把作为各截面的荷载集度 （1）化标准区间，将拟合点f（i=1,2,3）完全含 求得的截面弯矩值，即为该截面的挠度。i 于- 1，1区间内，引入变量转化为如图所示1，由于梁是对称集中荷载，所以取 l/2梁作为研究，将梁分成n个微段，微段长dx=1/n ,可 l/2 k(x) k(x) k=l0.66 0.8 0.43 n AE f ssc ck E f cck K=0.66 0.43 0.8 n A ss 表1 通过试验数据计算抗剪刚度系数 荷载(kN) 挠度 抗剪系数 20 1.97 1.326 38 3.744 1.391 45.7 4.465 1.380 56.3 5.518 1.363 t=3.744+1.774t b-aa+b f=+ 2011年第3期西南公路XINANGONGLU 图1竖向对称集中荷载作用下的组合梁 450 1 2 0 8 0 8 8 1000 P/2P/2 1000 I12 2300 50150 1.774 f- 3.744 t=（1） 抗剪刚 度修正 公式K=1.390.660 80 43 或 的正确性。 从此将区间1.92,5.518变换到-1,1区间上来。 3.1有限元分析模型的建立 （2）变换（f,）数表为数表（见表 ）。 ii 本文根据试验梁利用ANSYS建立有限元模型， 截面尺寸及加载方式取文献4试验梁数据，高强混 4 凝土采用C60，弹性模量为3.6010混凝土板 使用混凝土单元solid65离散考虑裂缝产生引起的非 （3）求出3次切比雪夫多项式的零点 线性现象当单元产生裂缝后单元应力释放不再 承受荷载；钢梁弹性模量为2.06，钢梁使用 壳单元shell143离散；栓钉的纵向抗剪作用由弹簧单 即 =-0.866， =0， =0.866 元Combine14模拟采用修正后的剪切刚度；其它连 （4） =0恰为零点，则=1.391，其余用线性插 接单元用link10来模拟并设置只承受压力的模式。 值求出 ， 所对应的 值（见表 ）。 用直接生成的方法生成全部单元这样避免了由于 优化过程中自由网格划分产生一些不适合非线性分 析的单元而导致优化过程的中断.最后生成的有限元 分析模型。 这里 为3次切比雪夫多项式的零点。 3.2仿真结果与试验值比较 * （5）求系数a （k=0,1,2）： k 对模型进行非线性分析后，导出跨中截面的位 由切比雪夫二次多项式递推表达式为： 移作为仿真值，将仿真值与试验值进行比较。 弹性理论得到剪切刚度计算值得出的曲线(见图 2)。 可以得：()=1，故有 0 （6）所求二次多项式拟合曲线为 4结语 （1）通过试验数据和弹性理论计算方法修正后 栓钉剪切刚度为 。 解得t=0.17便为最优解 （2）通过计算可以得出，用修正后的剪切刚度 把t代入（1）中解得f=4.046利用线性插值解得 计算高强混凝土组合梁的钢梁跨中下缘应力值比不 1 39 修正减小2.85%、挠度减小3.94%。 3有限元方法验证栓钉抗剪刚度修 （3）从图2有限元计算结果中可以看出按弹性 正公式 理论计算出来的剪切刚度与试验吻合得很好，而按 推出试验得到的剪切刚度差值要大些，这表明抗剪 本文将通过ANSYS有限元分析软件对试验梁进 连接件在组合梁中的实际 行仿真分析，验证在钢高强混凝土组合梁中栓钉 . .n s AEf scck （t,）2 ii MPa， ， ， 5 10 MPa ， ， ， 2 T tT(t) =tT(t)=2t -1 12 k=1.390.660.80.43n AE f sscck = . t2 tt3 13 （下转第100页） - 100.4061 1.3261.3911.3801.363 t ti 2(n+1) (2i-1)p =cos ti （i=1,2,3）（2） t1 t2 t3 2 l il - 0.86600.866 1.33471.3911.3668 t l （3） ti T (x)=2tT(t)- T (t) n+1nn- 1 T(t)=t 1 T(t)=1 0 =1.3642= 3 3 11 i=1 i n+1 i=1 i n+1 * a = 0 ll =0.0185= 3 3 2 ) ( 2 i=1 ii n+1 i=1 ii tytTk n+1 l * a = 1 =-0.0270- 1)= 3 2 2( 3 2 ) ( 2 i=1 ii i n+1 i=1 i ttTk n+1 ll * a = 2 * (t)=a T(t)+a T(t)+a T(t) 001122 * j 2 =1.3642+0.0185t- 0.0270(2t -1) 2 =-0.054t +0.0185t+1.3912 (t) * =0 t j （4） 0 20 60 80 160 140 120 100 80 60 40 20 高强混凝土 挠度(mm) 荷 载 （ K N ） 修正后剪切刚度计算值 文献7试验值 未修正剪切刚度计算值 图2 组合梁跨中截面位移试验值与仿真值比较图 简伟锋钢- 高强混凝土组合梁栓钉剪切刚度的修正： 表2 参数()数表转换为(t, )数表 i t, iii 表3 t与 线性插值计算表 22 9190 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢高强混凝土组合梁栓钉剪切刚度的修正 简伟锋 （吉林省交通规划设计院长春130021） 【摘要】在钢混凝土组合梁的简化计算中，钢与混凝土间栓钉的剪切刚度是一个重要的参量，其 刚度的确定方法已写入设计规范，但钢与高强混凝土组合梁剪切刚度的确定方法还是一个正在探索的问 题。采用弹性理论的计算方法，首先假定栓钉剪切刚度系数，然后把计算结果与试验值进行比较，最后采 用最小二乘法拟合曲线，确定出一个合适的剪切刚度计算方法，为设计和施工提供刚度计算依据。 【关键词】组合梁；高强混凝土；计算分析；剪切刚度 【中图分类号】 U448.21【文献标识码】A 以求出 梁任意截面的挠度，再由对称关系可以求出 0引言 梁的任意截面的挠度值。 用剪切螺栓连接的钢混凝土组合梁在受弯过 程中，由于钢混凝土交界面处存在着剪切滑移现 象，引起组合梁变形增大。本文利用弹性理论计算 方法和试验数据对钢-高强混凝土栓钉剪切刚度系数 进行修正，以便于钢- 高强混凝土计算中采用。 1栓钉连接件 2曲线拟合的最小二乘法 1.1栓钉连接件的刚度 4 通过文献 荷载- 挠度曲线图，设高强混凝土组对于栓钉连接件，国内外学者们总结出了许多 的刚度计算方法。文献1中给出高强混凝土组合梁合梁栓钉的剪切刚度为, 2 栓钉连接件的刚度计算公式为： 把试验数据荷载和挠度代入文献 的计算公式中就可 以反算出栓钉的剪切刚度，从而得到剪切刚度系数。 式中：n 栓钉沿梁纵轴向的列数； s E混凝土弹性模量； c f 混凝土圆柱体的抗压强度； ck A栓钉面积。 s 从表1试验数据中可以看出，数据分布不是直1.2利用栓钉连接件的刚度计算组合梁的挠度 f(x) 2 线。方程组的右端向量有微小的变化相应的解会变采用文献 的计算方法，计算出集中力荷载作用 化很大，将这种具有正交属性的函数类通常可以采取下的截面曲率k。 5 文献 中切比雪夫二次多项式来进行最小二乘法拟合。在求得组合梁（实梁）各截面曲率k(x)后，根据 3 已知n =2，a=1.97，b=5.518文献 中共轭梁法原理，把作为各截面的荷载集度 （1）化标准区间，将拟合点f（i=1,2,3）完全含 求得的截面弯矩值，即为该截面的挠度。i 于- 1，1区间内，引入变量转化为如图所示1，由于梁是对称集中荷载，所以取 l/2梁作为研究，将梁分成n个微段，微段长dx=1/n ,可 l/2 k(x) k(x) k=l0.66 0.8 0.43 n AE f ssc ck E f cck K=0.66 0.43 0.8 n A ss 表1 通过试验数据计算抗剪刚度系数 荷载(kN) 挠度 抗剪系数 20 1.97 1.326 38 3.744 1.391 45.7 4.465 1.380 56.3 5.518 1.363 t=3.744+1.774t b-aa+b f=+ 2011年第3期西南公路XINANGONGLU 图1竖向对称集中荷载作用下的组合梁 450 1 2 0 8 0 8 8 1000 P/2P/2 1000 I12 2300 50150 1.774 f- 3.744 t=（1） 抗剪刚 度修正 公式K=1.390.660 80 43 或 的正确性。 从此将区间1.92,5.518变换到-1,1区间上来。 3.1有限元分析模型的建立 （2）变换（f,）数表为数表（见表 ）。 ii 本文根据试验梁利用ANSYS建立有限元模型， 截面尺寸及加载方式取文献4试验梁数据，高强混 4 凝土采用C60，弹性模量为3.6010混凝土板 使用混凝土单元solid65离散考虑裂缝产生引起的非 （3）求出3次切比雪夫多项式的零点 线性现象当单元产生裂缝后单元应力释放不再 承受荷载；钢梁弹性模量为2.06，钢梁使用 壳单元shell143离散；栓钉的纵向抗剪作用由弹簧单 即 =-0.866， =0， =0.866 元Combine14模拟采用修正后的剪切刚度；其它连 （4） =0恰为零点，则=1.391，其余用线性插 接单元用link10来模拟并设置只承受压力的模式。 值求出 ， 所对应的 值（见表 ）。 用直接生成的方法生成全部单元这样避免了由于 优化过程中自由网格划分产生一些不适合非线性分 析的单元而导致优化过程的中断.最后生成的有限元 分析模型。 这里 为3次切比雪夫多项式的零点。 3.2仿真结果与试验值比较 * （5）求系数a （k=0,1,2）： k 对模型进行非线性分析后，导出跨中截面的位 由切比雪夫二次多项式递推表达式为： 移作为仿真值，将仿真值与试验值进行比较。 弹性理论得到剪切刚度计算值得出的曲线(见图 2)。 可以得：()=1，故有 0 （6）所求二次多项式拟合曲线为 4结语 （1）通过试验数据和弹性理论计算方法修正后 栓钉剪切刚度为 。 解得t=0.17便为最优解 （2）通过计算可以得出，用修正后的剪切刚度 把t代入（1）中解得f=4.046利用线性插值解得 计算高强混凝土组合梁的钢梁跨中下缘应力值比不 1 39 修正减小2.85%、挠度减小3.94%。 3有限元方法验证栓钉抗剪刚度修 （3）从图2有限元计算结果中可以看出按弹性 正公式 理论计算出来的剪切刚度与试验吻合得很好，而按 推出试验得到的剪切刚度差值要大些，这表明抗剪 本文将通过ANSYS有限元分析软件对试验梁进 连接件在组合梁中的实际 行仿真分析，验证在钢高强混凝土组合梁中栓钉 . .n s AEf scck （t,）2 ii MPa， ， ， 5 10 MPa ， ， ， 2 T tT(t) =tT(t)=2t -1 12 k=1.390.660.80.43n AE f sscck = . t2 tt3 13 （下转第100页） - 100.4061 1.3261.3911.3801.363 t ti 2(n+1) (2i-1)p =cos ti （i=1,2,3）（2） t1 t2 t3 2 l il - 0.86600.866 1.33471.3911.3668 t l （3） ti T (x)=2tT(t)- T (t) n+1nn- 1 T(t)=t 1 T(t)=1 0 =1.3642= 3 3 11 i=1 i n+1 i=1 i n+1 * a = 0 ll =0.0185= 3 3 2 ) ( 2 i=1 ii n+1 i=1 ii tytTk n+1 l * a = 1 =-0.0270- 1)= 3 2 2( 3 2 ) ( 2 i=1 ii i n+1 i=1 i ttTk n+1 ll * a = 2 * (t)=a T(t)+a T(t)+a T(t) 001122 * j 2 =1.3642+0.0185t- 0.0270(2t -1) 2 =-0.054t +0.0185t+1.3912 (t) * =0 t j （4） 0 20 60 80 160 140 120 100 80 60 40 20 高强混凝土 挠度(mm) 荷 载 （ K N ） 修正后剪切刚度计算值 文献7试验值 未修正剪切刚度计算值 图2 组合梁跨中截面位移试验值与仿真值比较图 简伟锋钢- 高强混凝土组合梁栓钉剪切刚度的修正： 表2 参数()数表转换为(t, )数表 i t, iii 表3 t与 线性插值计算表 22 9190 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 浅 谈 高 速 公 路 建 设 前 期 工 作 中 应 注 意 的 要 点 罗来明 （贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550001） 【摘要】 【关键词】公路建设； 【中图分类号】U412【文献标识码】B 分析了公路建设前期工作各阶段的特点，提出了各阶段设计一些需要格外注意的地方，以 供参考。 前期工作；注意要点 所以从工程方面所有可能的走廊带均应研究全，从 1概述 经济方面需对影响区域内所有地方政府的意见高度 重视，对意见不一致的情况一方面政府部门要协调， 公路设计是公路建设的灵魂，设计人员的技术 另一方面设计部门要从经济、通道、工程建设等方面 水平与设计风格将直接影响工程方案的选择，设计 做好解释工作，统一方方面面的思想与认识。 成果将影响工程建设的难易与投资控制。虽然现在 在建设程序上对工程可行性研究阶段进行了审查与 3工程可行性研究 批复，初步设计与施工图设计阶段也引入了设计咨 编制工程可行性研究报告，以批准的项目建议询审查， 书（或省、自治区、直辖市及计划单列市级单位的 委托书）为依据。工程可行性研究报告，应通过必所以项目设计的成败 要的测量、地质勘探，在认真调查研究，占有必要最为关键的因素仍然是具体设计人员，特别是总体 资料的基础上，对不同建设方案从经济上、技术上 设计人员的高度重视和认真负责。 进行综合论证，提出推荐的建设方案。本阶段主要 是需要解决工程建设的标准、确定建设规模，基本 拟定路线走向，并初步落实投资估算。工可一经批本人一直从事高速公路的勘察 准，即作为下一阶段初步设计必须遵循的依据。编与设计等前期工作，作为项目负责人完成了多个高 制中应注意如下几点： 速公路项目的工程可行性研究报告编制、初步设计 3.1预可工作文件设计与施工图文件设计等，结合多年的工作经 现在很多项目由于工期较紧，往往省略了预可 验，对高速公路前期工作中应注意的一些主要环节 环节，这样的工可还得包含预可的工作内容，主要或事项进行探讨。 是建设方案的选择这一部分，必须进行多走廊带的 2预可行性研究 研究，对所有可能的走廊带，进行技术、经济、产 业带动、路网规划、环保等方面综合论证后，筛选 编制预可行性研究报告，应以国民经济与社会 掉不具有比较价值的走廊带，再对剩下的走廊带进 发展规划、路网规划和公路建设五年计划为依据。 行同精度的比较。 预可行性研究报告，应重点阐明建设项目的必要 3.2资料的收集 性，通过踏勘和调查研究，提出建设项目的规模、 在工可阶段必须注意对路线布局起控 技术标准，进行简要的经济效益分析，审批后作为 制影响的资料，如沿线城镇规划、矿产资源分布、 编制项目建议书的依据。 基本农田分布、风景区规划、自然保护区规划、森 本阶段技术工作主要是进行路线走廊带研究， 由于工作性质的局限、时间投入上的不 足，咨询审查部门不可能做到很仔细的研究具体方 案、深入到每一个现场点位。 前期工作一般分为预可行性研究、工程可行性 研究、初步设计、施工图设计这样几个阶段，不同 阶段研究重点不同。 补充 完整收集 2011年第3期西南公路XINANGONGLU （上接第91页） 2刘寒冰,刘文会,张云龙.集中荷载作用下组合梁剪切滑移计算分析J.应 剪切刚度比推出试验所得到的数值 用数学和力学.2005,26(6):677- 682 要高。 3宋子康,蔡文安.材料力学M.上海:同济大学出版社.1997 参考文献 4张军涛.钢与高强混凝土组合梁性能研究D.辽宁:沈阳建筑工程学院硕 1聂建国.钢混凝土组合梁结构试验、理论与应用M.北京:科学出版 士学位论文.2004 社.2005 5徐涛.数值计算方法M.吉林科学技术出版社.1998.6 “白加黑”还是对水泥混凝土面板进行破碎，关键理模式，对确保路面改造质量起到了关键作用。 是看需要更换的破碎板的数量，数量大则采用破碎 参考资料 的方法较为经济，数量小则选用传统的“白加黑” 1中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)S.北 的方法较为经济，根据各个项目的具体情况，总有 京:人民交通出版社.2006.12 2中华人民共和国交通部.公路水泥混凝土路面施工技术规范(JTG F30- 一个经济平衡点。 2003).S.北京:人民交通出版社.2003.3 （2）“白加黑”的关键是对原混凝土板块的 3江苏省交通厅公路局,水泥混凝土路面技术委员会.公路水泥混凝土路 面养护技术规范(JTJ 073.1-2001)S.北京:人民交通出版社.2001.9处理是否彻底，选用的方法是否适当。处治良好的 4AASHTOGuide for Design of Pavement Structures 1993. 原水泥混凝土路面不但保证了结构强度，而且增加 5 VTRC.Composite Pavement Systems,Synthesis of Design and Construction 了接缝的传荷能力，减小板块之间的弯沉差，对防 Practices,2008(1). 6王松根等.旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南M.北京:人民交通 止反射裂缝起到了决定性的作用； 出版社.2006.10 （3）通过本工程实践，采用SBS改性沥青防裂 7NCHRPSYNTHESIS 388,Preoverlay Treatment of Existing Pavements 8 TRB/NCHRP/SYN92,Minizing Reflection Cracking ofPavement卷材作为防治反射裂缝的方案取得了良好的效果， Overlays.1982(9) 证明了其有效性； 9TRB Pape r#02-3111,Development and Performance of Interlayer Stress （4）“白加黑”的水泥混凝土路面改造方案 Absorbing Composite(ISAC)in AC Overlays,2002(1). 10 NCAT.Hot MixAsphaltMaterials,Mixture Design and Construction(Second 的实施更需要认真细致的工作，施工过程中需要采 Edition) 取有效的质量监控管理措施，需要有较强专业技术 11Compendium of Papers from the First InternationalConferenceon Pavement Preservation, Development of High Performance Asphalt for Prevention 背景和检测实力的专业检测机构，加强注浆前后的 of Reflective Cracking,2010. 脱空检测控制，确保板块注浆和更换的质量。成绵 路改造采取设计、检测、监理一体化的质量控制管 西 南 公 路 101100 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m