考虑刚度折减的钢－混凝土组合桥面板挠度分析.pdf

1 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 考虑刚度折减的钢一 混凝土组合桥面板挠度分析 占玉林， 赵人达 ， 向天宇， 徐腾飞 ( 西南交通大学桥梁及结构工程系， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 进行了一榀钢一 混凝土组合桥面板的足尺试验， 剪力连接件采用 P B L 。在经典板理论的基础上， 开展了组 合桥面板的理论分析研究。探讨了荷载的傅里叶级数展开形式， 得到了组合板变形的单傅里叶级数解法。结合试 验结果， 考察了组合板钢与混凝土之间的部分粘结性能， 并引入修正后的折减系数。最后计算了钢一 混凝土组合桥 面板的挠度变化情况， 并与试验值进行了比较 ， 两者吻合良好。 关键词： 钢一 混凝土组合桥面板； 傅里叶级数； P B L剪力连接件 ； 折减系数； 挠度 中图分类 号： T U 3 7 5 文献标识 码： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 1 4一 o 4 An a l y s e t he d e f o r ma t i o n o f s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b b y c o n s i d e r i n g r e d u c e d r i g i d i t yc o n s l a e r i n g r e a u c e r i g i l i t y Z HAN Yu l i n， Z HAO Re n d a， XI ANG Ti a n y u， XU Te n g f e i ( D e p a r t m e n t o f B ri d g e E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A f u l l s c a l e t e s t o f s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b h a s b e e n s t u d i e d i n t h i s p a p e r ， wh i c h u s e t h e PB L a s s h e a r c o n n e c t o r s B a s e d o n t h e t h e o ri e s o f s l a b， t h e t h e o r y a n aly s i s h a s b e e n d e v e l o p e d T h e l o a d s a r e o u t s p r e a d e d i n t e r ms o f F o u ri e r s e ri e s ， a n d t h e d e fl e c t i o n o f t h e s l a b Was c alc u l a t e d b y s i n g l e f o rm u l a t i o n o f F o u ri e r s e ri e s Th e n， t h e p a r t i al b o n d p e r f o rm a n c e b e t w e e n t h e s t e e l a n d c o n c r e t e Was als o s t u d i e d a c c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s ， a n d a mo d i f y r a t i o o f t h e r e d u c e d ri g i d i t y wa s i n d u c t e d At l ast ， t h e d e f o rm a t i o n s o f t h e s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b a r e c a l c u l a t e d a n d c o mp a r e d wi t h t h e t e s t r e s ult s ， t h e p r e d i c t e d v alu e s a r e i n g o o d a g r e e me n t w i t h e x p e rime n t al r e s u l t s K e y wo r ds： s t e e l c o n c r e t e c o mpo s i t e s l a b； F o urie r s e rie s； PBL s he a r c o nn e c t i o n； pa r a me t e r o f t h e r e d u c e d rig i di t y； d e f o r ma t i on 0 引 言 由于钢一 混凝土组合结构同时兼有钢结构和混 凝土结构 的优点 ， 同钢筋混凝土结构和钢结构相比， 钢一 混凝土组合结构可 以减小 自重 ， 减小截面尺寸 ， 增加使用空间， 节省模板 ， 节省施工时间， 同时还能 减小用钢量 ， 增大 刚度 ， 增加稳定性和整体性 ， 使得 这种结构在工业建筑 中的应用 越来越广。近年 来 ， 清华大学、 郑州工学 院、 西南交通大学等科研机 构对钢一 混凝土组合梁板进行 了大量的理论 和试验 研究_ 2 4 。 ， 得到了大量有用 的结论 ， 有一些 已经应用 到 钢结构设计规范 中 J 。综观已有的理论研究 和试验研究 ， 大多数都集中在工业与民用建筑中， 结 构尺寸和所承受的荷载均较小 ， 结构形式也较单一。 收稿 日期： 2 0 1 1 - 0 3 - 1 5 作者 简介 ： 占玉林 ( 1 9 7 8一) ， 男 ， 湖 北罗 田人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从 事钢一 混凝土组合结构桥梁行为方 面的研究 。 基金项 目： 高等学 校 士学 科点专 项科 研基金 ( 2 0 0 9 0 1 8 4 1 2 0 0 3 3) ； 西南交 通大学科技发展基金( 2 0 0 9 Q K 0 4) ； 中央高校基本科研业务 费 专项资金( S wJ Tr U 1 2 C X 0 6 4 ) E m a i l ： z h a n y u l i n 2 0 0 2 1 6 3 c o m 随着建筑技术 的发展和美观设计要求的提高， 钢一 混 凝土组合结构在桥梁结构中的应用越来越广， 而且 剪力连接的方式也越来越多样化 ， 从较常见的栓钉、 槽钢和弯筋连接件到现在 日本应用较 多的 P B L剪 力连接件。但是 ， 目前桥梁设计 中有关钢一 混凝土组 合结构的设计和施工还没有专 门的规范可以参考 ， 而且 P B L剪力连接件在我 国桥梁建设 中应用逐渐 增多， 可有关这方面 的研究工作却较少。本文结合 广东东平大桥设计 和施工 中关 键技术研究 的子项 目钢_ ? 昆 凝土组合桥面板模型试验 ， 进行 了一片 钢一 混凝土组合桥面板的模型试验 ， 并重点进行了此 类结构挠度方面的研究 ， 旨在寻求此类结构的合理 且实用理论分析计算方法 ， 为 E t 益增多的工程结构 服务。 1 试验研究 1 1 试 验概 况 根据结构试验 的基本原则 ， 设计 了如图 1所 示 的一片钢_ 、? 昆 凝土组合桥面板模型 ， 模型主要尺寸 为： 2 4 0 0 m m 6 0 0 0 n l l n ， 钢板厚度 8 m m， 组合板 总 l 6 四川建筑科学研究 第 3 8卷 q o的线 荷载 ， 按照 傅里 叶级 数 将荷 载 展 开 为三 角 级 数形式为 ： g ： 至 。 i i 一m q txn n s l n ( 6 ) 口 = 一 2 一 s l s l 一一 1 0 J 1 T m a 2a a 将式( 5 ) 代人式 ( 1 ) 中并引入边界条 件得到挠 度的三角级数表达式为 ： ： 至 蜓 s in ( 1 十 一 _ s ln n 【 l + ) e m y a S i n ( 7 ) 如果荷载 q 。作用在 矩形范围内， 取一无 限小的荷载元 9 “ 咖 ， 离 轴的距离为 7 ， 将式( 7 ) 中 q 。 用 g 代替 ， Y用 Y一 代替 ， 并进行积分 ， 则可得 到 Yv 2的点上荷载产生的挠度为 ： ： 4 。 i n 。 i n i n ( + F t _ x 1 m r x 1 sl n s 1n s1n 0 m w + y 一 号 一 ( + + 詈 ( 8 ) 同理 ， 可以得到 Y： 0处 的挠度为 ： w 。= 糍 sin sin sin 1一( 1+m ,z r v ，,) e - m # v 2 a ( 9 ) 集度为g 0 线荷载 曙 IIIl 0 主 J 厂一- 、 ， Y 图 4板受荷载作用 F i g 4 T h e l o a d i n g m o d a l o f s l a b 2 4 折减刚度的考虑 国内外 的试验研究表明， 采用栓钉 、 槽钢等柔性 抗剪连接件 的钢一 混凝土组合结构 ， 连接件在传递钢 与混凝土之问交界面的剪力时 ， 本身会发生变形 ， 其 周 围的混凝土亦会发生压缩变形 ， 导致钢与混凝土 之间的界面产生滑移应变 ， 引起附加曲率 ， 从而引起 附加挠度 。文献 1 1 采用叠加原 理得到了考虑 滑移效应的钢_ 、? 昆 凝土组合梁的刚度计算方法 ， 该方 法已应用于 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 钢结构设计规范 中。 本文试验的剪力连接件由于 目前在我 国较少采用 ， 其试验资料很少 ， 故本文近似采用文献 9 中方法 来计算折减刚度系数 ， 但对其参数进行一定修正 ， 将 P B L剪力连接件按照一定数量 的栓钉进行简化 修正 ， 其计算公式为： = 4 一 亩 ( 9 ) 叼 = n t , L ( 1 0 ) 叼 了 L l u - -0 8 l ( m m _ 1) ) A。 = f c 2 ， EA B + A A ： ( 1 3 ) ， 0=， s + ( 1 4 ) 其中， A 。 为混凝土翼缘板截面面积； A 。 为钢梁截面 面积 ； J 为钢梁截面惯性矩 ； J 为混凝土翼缘板截面 惯性矩 ； d 为钢梁截 面到混凝 土翼缘 板 的形心距 离 ； 为组合 截面高度 ； z 为组合结 构跨度 ( mm) ； 后 为抗剪连接件刚度系数 ； P为抗剪连接件 的纵向平 均间距( mm) ； n 。 为抗剪连接件的列数 ； o r 为钢材与 混凝土材料弹性模量之比。 则板的抗挠刚度可以写为 ： ( 1 51 1 ) ( + ) ( 一 2 ) 3结果比较 与分析 采用本文的方法， 并考虑刚度的折减， 计算得到 了试验钢一 混凝土组合桥面板的挠度 ， 并与试验结果 进行 了比较 ， 其 比较结果如图 5和图 6所示。 距 离佃 图 5 跨 中截面挠度 比较 F i g 5 Th e d e f o r m a t i o n o f mi d d l e s p a n 占玉林 ， 等： 考虑刚度折减的钢一 混凝土组合桥面板挠度分析 l 7 2 4 O 2 0 0 1 6 0 圣1 2 o 8 0 4 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 l 1 2 1 4 mm 图 6 P一 曲线 Fi g 6 Th e c u r v e s o fP一 从 图 5可以看 出， 将钢板 与混凝土之间假定为 完全粘结计算得到的挠度在一定范 围内与试验结果 较吻合 ， 线型也 吻合得 较好 ， 但 是相 比试验 结果偏 小 ； 而考虑钢与混凝土之间剪力连接 件的不完全粘 结 ， 引人刚度折减系数得到 的计算结果与试验值吻 合良好， 且计算结果较试验值大， 这样对结构是安全 的。从图 5还可以看 出， 试验值 曲线有些偏离 中心 对称线 ， 这是 由于试验 中千斤顶没有完全对 中带来 的。 从图 6可 以看出， 在弹性范围内， 考虑刚度折减 和不考虑刚度折减得到的 P一曲线均与试验值较 吻合 ， 但是不考虑刚度折减计算值较试验值偏小， 考 虑刚度折减计算得到的结果更合理些 。从 图6还可 以看出， 在弹性范 围内， 挠度和荷载基本保持线性关 系， 说明试验 中板的工作性能良好。 4 结 论 通过以上的计算与分析表明， 钢一 混凝土组合桥 面板在承受正弯矩作用荷载时， 在弹性范围内， 其挠 度按照折减 刚度计算 得到的结果与试验值 吻合 良 好 ， 且偏于安全。但是 ， 这种采用 P B L形式的剪力 连接件目前试验数据较少， 没有相关的资料可以参 考； 本文参考规范中的剪力连接件的刚度折减系数 计算模式在一定范围内与试验值吻合 良好。当结构 出现非线性或混凝土出现裂缝后 的工作情况 ， 其计 算参数有较大差异 ， 还需进一步的研究与探讨 ， 笔者 将在另外 的文章中进行重点讨论。 参 考 文 献： 1 聂建 国 ， 余 志武 钢一 混凝 土组合梁在 我国的研究 及应用 J 土木工 程学 报 ， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 3 - 8 2 聂建国， 余志武 钢一 混凝土组合梁的强度、 刚度和裂缝的研究 R 北京 ： 清华大学 ， 1 9 9 4 3 钢一 混凝土组合结构科研组 钢一 混凝土组合梁的试验研究 J 郑州工学院学报， 1 9 8 2 ， 3 ( 2 ) ： 2 2 - 2 8 4 占玉林 ， 赵人达 ， 毛学 明， 等 钢一 混凝 土组合 桥面板试 验研究 与理论分析 J 西南交通大学学报 ， 2 0 0 6， 4 1 ( 3 ) ： 3 6 0 -36 5 5 聂建 国 ， 樊健生 钢结 构设计 规范( G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 2 ) 钢一 混 凝土组合梁修订 内容介绍 J 建筑结 构学 报， 2 0 0 3， 2 4 ( 1 )： 3 4- 3 9 6 姚振纲， 刘祖华 建筑结构试验 M 上海： 同济大学 出版社， 1 9 9 8： 8- 3 6 7 J T J O 2 1 8 9公路桥涵设计通用规范 s 8 S z i l a r d R 板 的理论 和分 析 M 陈太 平 ， 戈鹤翔 ， 周孝贤 ， 译 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 8 4 ： 1 2 - 2 7 9 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3钢结构设计规范 s 1 O 铁摩辛柯 s ， 沃诺斯基 s 板壳理论 M 北京： 科学出版社， 1 9 7 7： 1 5 8 1 6 6 1 1 聂建国， 沈聚敏， 余志武 考虑滑移效应的钢一 混凝土组合梁变 形计算的折减刚度法 J 土木工程学报， 1 9 9 5 ， 2 8 ( 6 ) ： 1 1 1 7