考虑钢-混凝土滑移效应的下承式钢桁结合梁受力特性研究.pdf
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1、第 3 2卷第 3期 2 0 1 0年 6月 铁 道 学 报 J OURNAL OF THE CHI NA RAI L W AY S 0CI ETY Vo1 32 No 3 J u n e 2 0 1 0 文 章 编 号 :1 0 0 1 8 3 6 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 4 7 0 5 考虑钢一 混凝土滑移效应的下承式钢桁结合梁 受力特性研究 高静青 , 顾萍 , 孙颖 , 史庆 春 ( 1 中铁工程设计咨询集 团有 限公 司 桥梁 工程设计研究院 , 北京 1 0 0 0 2 0 ; 2 同济大学 桥梁系 ,上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要 : 对下承式 6 4
2、r n双线钢桁结合梁 , 考虑钢梁与混凝 土板之 间的滑移 , 采用空 间梁 、 板壳单元建立有 限元计 算模 型 , 钢梁与混凝土板 间的连接根据 剪力 钉刚度 , 采用 弹性连 接模 拟 , 通过二期恒载 、 混凝土桥面板收缩徐变工 况 的计算分 析 , 研究下承式钢桁结合梁受力 特性 。计 算结果表明 , 下 承式 钢桁 结合 梁中 由于混凝土板与主桁下 弦 杆共 同作用 承受纵 向拉力 , 钢梁与混凝 土板之 间的滑移对 桥梁结构 内力影响较大 , 设计 计算时不适合采用钢梁与 混凝土板 刚接或换算截 面法 , 建议根据剪力钉 刚度钢 梁与混凝土板之间采用弹性连接模拟 , 不同荷载工况
3、可按结 构受力对剪力钉 刚度进行适 当调整 。 关键词 :下承式钢桁结合梁 ; 剪力钉 ; 滑移 ;结构内力 中图分类号 :U4 4 8 2 1 6 文献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 1 j i s s n 1 0 0 1 8 3 6 0 2 0 1 0 0 3 0 2 6 Ana l y s i s o f t h e Thr o u g h S t e e l Tr u s s Co n c r e t e Co m p o s i t e Br i d g e s Co ns i d e r i n g S he a r s l i p Ef f e c t
4、b e t we e n Co n c r e t e a n d St e e l Tr u s s GAO J i n g q i n g , GU P i n g , S UN Yi n g , S HI Qi n g c h u n ( 1 B r i d g e E n g i n e e r i n g De s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e , C h i n a Ra i l w a y E n g i n e e r i n g C o n s u l t a n t s Gr o u p ,B e i j i n
5、g 1 0 0 0 2 0 , Ch i n a 2 B r i d g e De p a r t me n t , To n g j i Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :A 3 D f i n i t e e l e me nt a na l y s i s i n t e gr a t e d wi t h be a m a n d s he l l e l e m e nt s i s c a r r i e d o ut t o i nv e s t i g a t
6、 e s t a t i c be ha v i o u r of a t wo wa y t hr o ug h s t e e l t r u s s c ompo s i t e br i d ge o f 6 4 m i n s p a n,c o ns i de r i ng s l i p e f f e c t a t t he i n t e r f a c e o f s t e e l b e a m a n d c o nc r e t e s l a b, by s i m u l a t i n g t he e l a s t i c s he a r s t ud
7、 s t i f f ne s s i n t he c a s e s o f t he s e c on d d e a d l o a d i n a d d i t i o n o f s h r i n k a g e a n d c r e e p i n t h e c o n c r e t e s l a b I t i s d e mo n s t r a t e d t h a t s u b j e c t i n g t o t h e l o n g i t u d i na l t e ns i l e f o r c e s i n t he c on c r
8、e t e s l a b a nd i n t he 1 o we r c ho r d o f t he ma i n s t e e l t r u s s,s he a r s l i p de v e l o pe d a t t he i n t e r f a c e o f s t e e 1 be a m a nd c on c r e t e s l a b wi l l h a v e s ub s t a nt i a l i n f l ue nc e o n t he i nt e r n a l f or c e s o f t he b r i d ge s t
9、 r u c t u r eS O t ha t t he e qu i v a l e nt s e c t i on me t h od i n wh i c h t he c o nc r e t e s e c t i o n i S t r a ns f or m e d i n t o a s t e e l s e c t i on ne g l e c t i n g s h e a r s l i p be t we e n t he t wo i s n ot r e l i a bl e u po n。a nd i t i s s u gg e s t e d t ha
10、t s h e a r s t u ds be s i m ul a t e d u s i ng e l a s t i c c o nn e c t i o n e l e m e n t s,a nd t he c o nne c t i on s t i f f n e s s o f whi c h be de t e r m i n e d f o r t he c o r r e s po n di n g l o a d c a s e s r e s pe c t i v e l y Ke y wo r d s:t hr o ug h s t e e l t r u s s
11、c o m po s i t e br i d ge;s h e a r s t u d;s l i p;i nt e r na l f o r c e s 下承 式钢桁 结 合梁 是 桥 面 系 纵 、 横 梁 与 混凝 土板 结合的一种新型桥梁结构形式 , 具有建筑高度低 、 刚度 大、 行车噪声和振动较小等优点。随着我国高速铁路 的大力建设和既有线路 的提速, 这类桥型将 有广泛 的 应用前景 。虽然 日本 、 法国等国已建成多座高速铁路 收稿 日期 : 2 0 0 6 0 5 2 9 ;修 回日期 : 2 0 0 6 1 2 1 3 基金项 目:国家 自然科学基金项 目( 5 0 6
12、7 8 1 3 2 ) 作者简介 : 高静青 ( 1 9 6 5 一) ,女 , 安徽繁 昌人 ,教授级高工。 E - ma i l :g a o j q i n g 9 9 9 s i n a c o m 下承 式 钢桁结 合 梁 桥 , 但 公 开 报 道 的文 献 非 常 少 1 。 国内叶梅新、 张晔芝_ 3 、 陈玉骥_ 4 等对结合梁桥包括下 承式钢桁结合梁进行模型试 验和理论分析 , 但未涉及 钢桁梁与混凝土板之间的滑移对钢桁结合桥梁的受力 影 响 。 钢桁结合梁 中混凝土板与普通板梁结合梁中混凝 土板 的主要 差别 在 于 : 板梁 结合 梁 中混 凝 土 板 主要 受 弯剪作
13、用 , 而钢桁结合梁中混凝土板在二期恒载 、 活载 铁 道 学 报 第 3 2卷 等竖向荷载作用下除 了承受 弯矩和剪力外 , 与主桁下 弦杆共同作用并承受纵 向拉力。因此 , 钢梁与混凝土 板之间的滑移不能忽略。本文 以下承式 6 4 m 双线铁 路钢桁结合梁桥为例 , 考虑钢梁 与混凝土板之间的剪 力 钉连 接 , 采 用有 限元 计 算 方法 分析 和 研 究 钢 与混 凝 土 板之 间滑移 效应 对下 承式 钢桁结 合桥 梁结 构受力 的 影响 , 为下承式钢桁结合桥梁 的设计和施工提供依据。 1 下承式钢桁结合梁 的滑移分析 关 于钢 、 混 凝土 界 面 滑移 效 应 对 结 合梁
14、 影 响 的研 究表明 5 - q, 用栓钉连接 的结合梁在弯曲荷载作用下, 钢与混凝土板之间存在滑移 , 并使结合梁截 面的内力 发生重分布 , 导致其屈服弯矩降低 , 上述研究部分成果 已被 我 国现行 G B J 1 7 8 8 钢 结 构设 计 规 范 ll 7 采纳 。 对下承式钢桁结合梁桥 , 混凝土桥面板一般 与桥面系 纵 、 横梁 、 下弦杆 结合 , 钢梁 与 混凝土 板之 间 的滑移 , 对 桥跨 结构 受力状 态影 响较 大 。 目前 , 钢桁结合梁主要采用栓钉作为剪力连接件 , 根据栓钉连接件 的推 出试验结果 8 , 栓钉所受 的荷载 与钢梁与混凝土板之间的滑移呈 非
15、线性关系 , 其工作 状况与荷载、 边界条件等多种因素有关, 实际计算时需 要对 剪切 刚度进行 合 理简化 。为计算 结合 梁 的变形 和 屈服弯矩 , 根据对大量推 出试验的统计和正常使用状 态下的计算分析 , 文献 9 1 提 出可用滑移 0 8 mm 处的 割线刚度作为栓钉的剪切刚度 , 文献 5 6 提出栓钉的 剪切 刚度 k为 k一 0 6 6 N (1) 式中, N 为单个栓钉极限承载力 , 可按文献 7 选取 。 本文没有对栓钉连接件的推 出试验作专项研究 , 栓钉剪 切 刚度按式 (1) 计 算 。 2 实桥模 型计 算 以下承式 6 4 m双线高速铁路钢桁结合梁为例进 行分
16、析 。桥梁跨度 6 4 m, 主桁高 1 1 5 m, 2片主桁 中 心距 为 1 5 m,桥 面 系 无 纵 梁 , 上 下 弦 杆 采 用 箱 形 截 面, 在下弦节点处设箱形截面大横梁 , 每个节间内设 4 片工字形截面小横梁 , 钢筋混凝土桥面板通过高 1 7 0 mm、 直径 2 2的剪力钉与大小横梁 、 下弦杆相连形成 结合桥面板, 桥面板平均厚度 3 4 5 mm, 大小横梁上剪 力钉纵向每排分别以 6 、 3个及横向间距 0 1 2 m满布, 下 弦杆 内侧 剪 力钉 横 向每排 3个 及纵 向 问距 0 1 5 m 满布 , 桥梁 的主要尺寸见 图 1 。图 1中, 钢板截面
17、 尺 寸 : 块数 宽 厚度 。其 中, 上弦杆 A1 一 A3 、 A3 - Al 箱形截面由四块钢板组成 : 顶板 1 X 9 4 0 X2 8 、 底板 1 Eo E 2 E 4 E4 t E E o f L L i I Q I ( a 1 主桁 桥面系 桥面板 小横粱1 I ll 1 l 1 I I l l I l 善 大横梁 。 I f b ) 下平面 1 鱼 l I ! 一 ( c ) 横截面 图 1 桥梁 结构概 图f 单位 : mm ) 8 0 0 2 8 、 腹 板 2 1 4 7 2 2 4 ; A3 - A5 、 A5 - A3 箱 形截 面 由四块 钢板组 成 : 顶板
18、 1 X 9 4 0 3 2 、 底 板 1 8 0 0 X 3 2 、 腹板 2 X 1 4 6 8 3 2 。下弦杆 E 0 一 E2 、 E 2 - E0 箱形 截面 由 四块 钢板 组成 : 顶 板 1 X 8 0 0 2 0 、 底 板 1 X 9 4 0 2 0 、 腹板 2 1 9 8 0 2 0 ; E2 - E4 、 E 4 - E2 箱形截 面由 四块 钢板组 成 : 顶板 1 X 8 0 0 2 4 、 底 板 1 X 9 4 0 X 2 4 、 腹 板 2 1 9 7 6 2 4 ; E4 一 E4 箱 形 截 面 由 四块 钢 板 组 成 : 顶板 1 8 0 02
19、4 、 底 板 1 9 4 0 X 2 4 、 腹板 2 1 9 7 6 3 2 。大横梁 箱形 截 面 由 四块钢 板 组 成 : 顶 板 1 X 1 0 0 0 4 O 、 底板 1 1 0 0 0 4 0 、 腹 板 2 X 1 4 2 0 X 2 8 。小 横梁 工字形截面由三块钢板组成 : 顶板 1 X 3 6 0 2 4 、 底板 1 X 4 8 0 3 2 、 腹板 1 X1 4 4 4 1 6 。 有限元计算模型 中主桁杆件 、 横梁 和上平纵联用 空间梁单元模拟 , 桥面板采用板壳单元模拟, 梁单元均 在各 自的截面形心处建模 , 即取单元 的形心相连作为 刚结点 。桥梁纵、
20、 横向均为简支 ; 大横梁与主桁节点采 用刚臂连接 ; 小横梁与主桁下弦杆的连接为铰结 , 采用 主从约束的方式 , 将小横梁节点的三个位移 自由度和 沿梁长度方向的转动 自由度与主桁下弦杆相应的自由 度耦合; 根据剪力钉刚度 , 混凝土桥面板与横梁及下弦 杆的连接 , 采用弹性连接模拟。 采用大型有限元软件 ANS YS进行全桥分析 , 由 第 3期 考虑钢一 混凝土滑移效应 的下承式 钢桁结合 梁受力特性研究 1 4 9 于实桥主桁杆件不仅承受轴力还承受弯矩 , 建模时对 横梁、 下弦杆分别划分 1 6 、 2 0个单元, 其余杆件划分为 1 2 个 单 元, 计 算 模 型 共采 用 1
21、 2 1 2个 空 间 梁 单 元 ( b e a m1 8 8 ) , 1 6 0 0个 板 壳 单 元 ( s h e l l 6 3 ) , 6 4 4个 刚臂 单元( mp c 1 8 8 ) 和弹簧单元 , 4 8 3 4 个节点 , 计算模型见 图 2 。 ( a ) 全桥模型 ( b ) 局部放大 图 图 2 桥梁计算模型 图 根据 钢一 混 凝 土 组合 梁 荷 载一 滑 移 曲线 1 , 当栓 钉 受力较 小 时 , 栓钉 受 力 与钢 与 混 凝 土 板 之 间 的滑 移 成 线性关 系 , 随着荷 载 增 大 , 滑 移 呈非 线 性 增 大 , 剪 力 钉 单钉 刚度
22、变小 。实桥 采用 的 剪力 钉 为 e p 2 2栓 钉 , 混 凝 土为 C 5 0 , 按式 (1) 计 算剪 力钉 单钉 刚度 k为 1 0 0 k N mm, 为正常使用阶段 即荷载较大时剪力钉单钉刚 度。实测 中 2 2 栓钉、 C 5 0混凝土 的结合梁试件线性阶 段 的单 钉抗剪 刚度 k约为 5 0 0 6 0 0 k N mm 1 , 剪力 钉 实际 刚度 在 1 0 0 6 0 0 k N mm 之 间 。计 算 选 取 二 期恒 载 与混凝 土收缩 徐 变 2种 荷 载 工况 , 分 别取 剪 力 钉单钉刚度 k 一1 0 0 、 5 0 0 k N mm 和刚接( 不
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