栓钉连接件抗剪刚度对钢-混凝土结合梁自振特性影响研究.pdf
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1、第 3 3 卷 , 第 6 期 中 国 铁 道 科 学 2 0 1 2年 1 1月 C HI NA R AI L WAY S C I E NC E V 0 I 3 3 N o 6 No v e mb e r ,2 0 1 2 文章编号:1 0 0 1 4 6 3 2( 2 0 1 2 )0 6 0 0 2 4 0 6 栓钉连接件抗剪刚度对钢一混凝土 结合梁 自振特性影 响研 究 侯忠明 ,夏禾 ,张彦玲 ( 1 北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 1 0 0 0 4 4 ;2 石家庄铁道大学 土木工程学院,河北 石家庄0 5 0 0 4 3 ) 摘要:设计 6片钢一混凝土结合梁,从理论分析、
2、试验和数值模拟 3 个方面,研究栓钉连接件抗剪刚度 对钢一混凝土结合梁自振特性的影响。结果表明:在常见的栓钉布置情况下 ,钢梁与混凝土板的界面存在滑移 , 二者变形不同步,振型存在明显相位差;随着栓钉连接件抗剪刚度的降低 ,结合梁整体刚度明显下降,与不考 虑界面滑移的结合梁相比,完全连接和部分连接 ( 连接度为 6 O )结合梁的刚度分别降低 3 9 和 4 8 ,相应的 1 阶竖向自振频率分别降低 2 2 和 2 9 ; 栓钉连接件的抗剪刚度越小 , 结合梁的刚度折减越大, 但各阶自振频 率对应刚度的折减程度不同;少量的栓钉损伤对梁的竖向自振频率影响不明显。由于结构的基频对其冲击系数 影响很
3、大,因此在结合梁的动力性能分析及冲击系数计算中, 应考虑栓钉连接件刚度的影响。 关键词:钢一混凝土结合梁;栓钉连接件;抗剪刚度 ;界面滑移;自振特性 中图分类号:U4 4 8 2 1 6 :U4 4 1 3 文献标识码:A d o i :l O 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 6 3 2 2 0 1 2 0 6 0 5 钢一混凝土结合梁充分利用了混凝土抗压性能 好及钢材抗拉性能强的特点,提高了承载能力,减 小了混凝土桥面板的自重及结合梁的应力幅,增强 了结合梁的抗疲劳能力,尤其适合中等跨度高速铁 路桥梁的要求及条件。与单一材料梁不同的是,在 钢一混凝土结合梁 中,钢梁和
4、混凝土板的共同工作 依靠连接件实现。按抗剪刚度的大小,连接件可分 为刚性连接件和柔性连接件 1 。刚性连接件抗剪强 度大, 但破坏呈脆性;柔性连接件抗剪刚度小, 破 坏时延性较好,但在接触面处的剪力作用下会使钢 梁和混凝土板之间发生相对滑移 2 。铁路结合梁常 用柔性栓钉连接件 。 各国学者已对铁路结合梁桥的动力特性进行了 部分试验研究 3 _ 和数值模拟 5 分析,得到了一些 关于 自振特性和动力响应的试验资料。在动力设计 中也常采用车桥耦合振动理论对铁路结合梁桥的动 力响应进行数值模拟。但到目前为止,有关结合梁 桥的栓钉连接件抗剪刚度对其动力性能影响的系统 研究还较少。本文运用理论分析、试
5、验和数值模拟 方法, 研究栓钉连接件抗剪刚度对钢一混凝土结合 梁 自 振特性的影响。 1 理论分析 对一般的简支结合梁,假设钢梁与混凝土板之 间的抗剪连接件承受的剪力沿梁长均匀分布,若将 单位长度范围内抗剪连接件的刚度视为常数 K , 则其第 阶竖向 自振圆频率可以表达为 一2 ( 7 【 ) ( EI ) v 1 + + ( 7 c ) , 1 、 一 一 其 一 ; 卢一 ; ( E ) F一 ( E ) c+ ( E ) B 式中: 为单位长度梁的质量; L为梁的跨度; ( E I ) c 和( 日 ) e 分别为钢梁与混凝土板绕结合梁重 心轴和绕各 自 身重心轴的抗弯刚度之和;h为混凝
6、 土板和钢梁重心轴之间的距离。 令 一 去 告 , 则 简 支 结 合 梁 的 整体等效动刚度可表示为 ( 田 ) 一 ( E ) F ( 2 ) 考虑 2 种极端情况: 钢梁和混凝土板之间 无连接,只是简单的层叠,即抗剪连接件的刚度 收稿日期:2 0 1 1 1 1 2 O ;修订日 期:2 0 1 2 0 5 1 8 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( 5 1 0 7 8 0 2 9 ,5 1 1 0 8 2 8 1 ) ;铁道部科技研究开发计划项目 ( 2 0 1 0 G 0 0 4 一 T ) 作者简介:侯忠明 ( 1 9 8 2 一) ,男,安徽萧县人, 博士研究生。 第 6期
7、栓钉连接件抗剪刚度对钢一混凝土结合梁 自振特性影响研究 Ks为 0 ; 钢梁和混凝土板之间完全无滑移 ,即 Ks 为无穷大。2种情况下梁的等效动刚度分别为 ( 日) 钧 1 一( 口 ) B 和( E I ) q2 一 ( 田 ) F 。 那么对于不同 连接刚度的结合梁, 其等效动刚度均处于( 口 ) 和 ( E f ) F 之 间。 对于截面尺寸一定的结合梁而言, 的值是一 定的, 但 a 值随结合梁抗剪连接度的大小而变化。 口越小,连接件抗剪刚度越大,结合梁抗剪连接度 越大。a 趋向于零时,连接件抗剪刚度 Ks 趋向于 无穷大。因此,式 ( 1 )中的系数 O t 反映了钢梁与 混凝土之间
8、的连接程度。当 a 趋于零时,系数 等于 1 ,则自振频率为 一百 ( mr ) z On, F ( 3 ) 一 这与无界面滑移的普通单一材料直梁一致。因 此对于柔性抗剪连接的直线结合梁,其 自 振频率可 表示为 C O 一 c , , F ( 4 ) 由式 ( 4 )可以看出,系数 直接反映了结合 梁抗剪连接度对 自 振频率的影响。 以某梁的前 3阶竖向自振 ( 一1 ,2 ,3 )为 例 ,根据该梁参数得 到 一0 2 3 4 ,进而得 到的系 数 a和连接件抗剪刚度 Ks与 之间的关系如图 1 和图 2 所示 。 图 1 a 一 关系图 Ks M P a 图 2 Ks 一 关系图 从图
9、1 可以看出,当a 趋向于 0 ,即Ks 趋向 于无穷大时,各阶 均趋于 1 ,可视为结合梁中 钢梁与混凝土板完全粘结,即相当于普通单一材料 梁;当a 趋于无穷大时,Ks 趋近于 0 ,相当于界 面无连接的 “ 层叠梁” ,各阶 7 2 值逐渐趋于一个常 数,图中的值约为 0 2 9 6 。同时也可以看出,随着 增加,7 2 折减的速度也迅速增加。 可见,在常见的栓钉布置范围内,梁的等效动 刚度 ( 日 ) ( 即 ( 口 ) r ) 随连接件抗剪刚度的下降 而下降,在图 2中表现为 值的下降,而在动力 响应上表现为其竖向自振频率的下降;当连接件抗 剪刚度下降到一定范围时, 逐渐趋于一个常数。
10、 从上述分析可知,对于由2 种材料构成的结合 梁而言 ,其动力特性 与单 一材料 的普通梁有所 不 同 ,钢梁与混凝土板之间的抗剪连接度直接影响着 结合梁的动力特性,因此 可以看作结合梁竖向 动力响应的 “ 刚度折减系数” ,其值随连接件抗剪 刚度的下降而减小,且每阶有不同的折减系数。由 于钢梁与混凝土板之 间的实际栓钉连接 是不连续 的,而是间隔布置,因此式 ( 2 )中结合梁的刚度 表达式是一定范围内的平均值。从局部来看,在钢 梁和混凝土板存在栓钉的位置处,其刚度表现为单 一 材料 梁的性质 ,而在栓钉 之间 的区域 ,表现为 “ 层叠梁”的性质。 2 试验研究 2 1 试验简介 本试验共
11、设计制造了 6 片试验箱型结合梁,跨 度 4 2 0 0 mm,梁 全 长 4 5 0 0 mm;混 凝 土板 长 4 4 0 0 n l l n ,宽 7 0 0 mm,厚 1 1 0 mm;钢梁 高 2 0 0 mm,下翼缘宽 5 0 0 n l -n ,翼缘板厚 8 IT I I T I ,腹板厚 6 mm;栓钉直径 1 3 mm,高 5 0 mm。每片梁采用 : Q2 3 5 钢材 4 3 0 k g ,C 3 0混凝土 0 3 5 m。 ,栓钉 4 2 个 ( 部分连接,剪力连接度为 6 O )或 7 0个 ( 完 全连接) 。 为研究不同栓钉连接件抗剪刚度对结合梁 自 振 特性的影
12、响,6 片试验梁分为完全连接和部分连接 两大类。试验梁 F C B 0 为完全连接的无损伤梁,试 验梁 F C B 1和 F C B 2为在栓钉周围预设混凝 土损伤 的完全连接梁,分别代表 2 个梁端处各 1 对栓钉和 各 2 对栓钉存在损伤的情况;试验梁 P C B 0为部分 连接 ( 抗剪连接度为 6 O )的无损伤梁,试验梁 P C B 1 和 P C B 2为在栓钉周围预设混凝土损伤的部 分连接梁。试验梁的立面及横截面如图3 所示。 采用 9 4 1 B传感器以及相应的数据采集设备 , 2 6 中国铁道科学 第 3 3卷 ( a 】 F c B O , F C Bl ,F c B 2
13、立面I墨 l 【 c ) 无横隔板横截面图 剖面) ( d ) 有横 隔扳横截面 I璺 l( B - B 剖面) 图 3 试验结合梁立面及横截图 ( 单位:m m) 对每片试验梁在不同工况下的竖向模态、扭转模态 及横 向模态进行测试 ,测 点布置如 图 4和图 5所 示。为测量栓钉布置方式对梁 自振特性的影响,在 每个栓钉的位置均布置测点。由于测点较多,故采 用移动测站法测量试验梁的模态。选取 1 和 2 测 t ) ( ) 7 # ( )8 # ( , 2 I ) 3 ( ) 4 ( )5 ( ) 1 I ( a ) 传感器平面布置图( 竖向) ( b ) 传感器立面布置图( 竖向) 图 4
14、 测量竖向、扭转模态的传感器布置示意图 点为参考点,3 一8 传感器作为移动测点,每次 移动 1 个测点。为激起较大的响应并尽量消除支承 条件的影响,测试时,使用了小型聚能锤进行锤 击。其中竖向模态和扭转模态测试同时进行,横向 模态单独测试。 1 r 1 1 1 ( a ) 传感器平面布置图( 横向) ( b ) 传感器立面布置图( 横向) 图 5 测量横向模态的传感器布置示意图 2 2 试验结果及分析 根据上述试验方案,测试了 6 片试验梁 的自振 频率 以及模态。试验结果表明,试验梁 F C B 1 , F C B 2 ,P C B 1 和 P C B 2中的局部栓钉损伤并不明显 影响各试
15、验梁的整体振型,故只给出了试验梁 F C B 0和 P C B 0的前 3 阶模态测试结果,如图 6 和 图 7 所示。所有试验梁的 1阶竖 向自振频率实测结 果见表 1 。 表 1 各试验梁 1阶竖向自振频率结果对比 从图 6 、图 7和表 1可见 :梁 的竖向、横向及 扭转刚度均比较大,说明箱型钢一混凝土结合梁具 有良好的抗弯和抗扭性能; 部分连接结合梁的竖向 自振频率均小于完全连接结合梁, 说明柔性栓钉在 界面的纵向滑移使结合梁的竖向刚度减小,相应频 第 6期 栓钉连接件抗剪刚度对钢一混凝土结合梁 自振特性影响研究 ( a )l 阶竖向正对称弯曲振动( 2 3 1 3 H z ) ( b
16、 )1 阶扭转正对称振动( 5 7 7 7 H z ) ( c )2 阶竖向正对称弯 曲振动( 7 6 2 2 k) 图6 试验梁 F C B 0前 3阶自振频率及振型测试结果 ( a )l 阶竖向正对称弯 曲振动( 2 1 1 6 Hz )( b )l 阶扭转正对称振动( 5 8 8 1 Hz ) ( c )2 阶竖向正对称弯曲振动( 7 0 - 0 2 H z ) 图 7 试验梁 P C B 0 前 3 阶 自 振频率及振型测试结果 率降低; F C B 0和 P C B O 梁的 1 阶扭转正对称振动 频率接近,表明抗剪连接刚度的影响不明显。 在动力测试完成以后,对各试验梁分别进行弯 扭
17、作用下的静力加载试验,卸载后对各试验梁重新 进行动力测试。从部分测试数据来看,试验梁 P C B 0 和 P C B 2的前 2阶竖向自振频率有所降低, 试验梁 F C B o ,P C B o 和 P C B 2的扭转 自振频率下 降幅度较大 。这是由于这几片试验梁在静载时进行 了弯扭试验,扭转破坏较为严重,因此在其扭转 自 振频率上表现较为明显的下降。 3 数值分析 使用 A N S Y S建立相应的钢一混凝土结合梁三 维有限元模型。为消除钢梁上翼缘及混凝土板二者 重心轴的偏移,混凝土板采用 S HE L L 9 1 单元,钢 梁采用 S HE L L 4 3单元 ,混凝 土板取底 面 为
18、参考 面,钢梁取厚度中心位置为参考面。使用三维弹簧 单元 C O MB I N3 9连接混凝土板与钢梁上翼 板相应 位置处的节点,以模拟因栓钉存在而引起的交界面 处的相对变形。有限元模型中各栓钉位置的三向弹 簧单元竖向耦合,纵向及横向不耦合,弹簧的参数 服从下式给出的栓钉荷载一滑移曲线模型 8 ,即 Q Q o ( 1 一 e ) ( 5 ) 其中, Q u 一0 5 A E c 0 7 A 。 式中:Q为单个栓钉所受剪力; 为Q作用下在钢 梁与混凝土交界面上产生的滑移; 和m为计算参 数;Q u 为单个拴钉的抗剪承载力;A 。 为栓钉的截 面面积;E c 和 分别为混凝土 的弹性模量和轴心
19、抗压强度,可按实测值取用;, s 为栓钉的极限抗 拉强度。 完全连接的试验梁 F C B 0 及部分连接的试验梁 P C B 0的前 3阶自振特性数值分析结果如图8和图 9 所示。从 图 8和图 9可 以看出,试 验梁 F C B o和 P C B 0的钢梁与混凝土板纵 向振型之 间出现了明显 的相位差,这是由于二者之间栓钉连接件的存在, 使钢梁与混凝土板之间发生了相对滑移, 造成二者 变形既不同步,也不协调。数值分析结果同样显 示,高阶振型的横向振型也出现了类似结果。图8 和图 9 同时也表明,相对滑移对自振频率也产生了 影响,完全连接的试验梁 F C B 0的 1阶竖向 自振频 率为 2
20、5 9 3 H z ,部分连接的试验梁 P C B O的 1阶 ( a )l 阶竖 向正对称弯曲振动( 2 5 9 3 H z ) ( b )1 阶扭转振动( 混凝土与钢梁相对 ( c )2 阶竖向反对稳弯 曲振动( 8 1 2 3 Hz ) 扭转, 6 o 6 7H z ) 图 8 试验梁 F C B 0 前 3 阶自振频率及振型的数值分析结果 麓 , 一 中国铁道科学 第 3 3卷 f a 】1 阶竖向正对称弯曲振动f 2 4 I I Hz )( b )l 阶扭转振动( 混凝土与钢粱相对( c )2 阶竖向反对稳弯曲振动( 7 6 6 3 n z ) 、 扭转 5 8 7 2 nz ) 图
21、9 试验梁 P C B 0 前 3 阶自 振频率及振型的数值分析结果 竖向白 振频率为 2 4 1 1 Hz ,说明随栓钉连接件抗 剪连接度的减小,梁体刚度下降,频率降低。 与图 6和图 7的实测结果对 比可以看出,试验 梁 F C B 0 和 P C B 0的 1 阶竖向和 1阶扭转 自振频率 及模态的试验结果和数值分析结果基本吻合,2 阶 竖向自振频率和模态分析结果有一定的误差。 4 连接件抗剪刚度对结合梁 自振特性 的影响 将各试验梁的 1 阶竖向自 振频率的理论计算值 和数值分析结果也列于表 l 。理论计算值分别考虑 了有界面滑移和无界面滑移 2 种情况 。从表 1可以 得 出以下结论
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- 连接 件抗剪 刚度 混凝土 结合 特性 影响 研究
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